工业数字孪生项目4任务3 硬件在环虚拟调试的实现

项目4MCD模型的

虚拟调试任务3硬件在环虚拟调试的实现目录01任务说明02知识准备03任务实施04任务评价与拓展任务说明1任务说明

本任务以DLDS-532实训平台中的自动供料单元（一站）深度检测模块检测升降气缸与检测伸缩气缸运动、智能仓储单元（三站）伺服搬运机械手模块仓储搬运机构运动为例，介绍通过OPCUA通信，使用NXMCD仿真环境与实体DLDS-532实训平台中的实体PLC进行设备局部硬件在环虚拟调试的全流程。

通过完成本任务，学生将掌握进行工业数字孪生硬件在环虚拟调试的基本方法与技巧，从而为完成更复杂与综合化的工业数字孪生设计与调试任务做好准备。知识准备2知识准备1.硬件在环的概念

如前所述，纯粹使用软件，而不使用作为调试目标的设备的调试方法就是软件在环虚拟调试。相对地，一般而言，在控制部分使用PLC，在机械部分使用虚拟模型，在虚实结合的闭环反馈回路中进行程序编辑与验证的调试就是硬件在环虚拟调试。

硬件在环虚拟调试可以降低使用实体设备进行调试的风险与工作量，结合并行化的工作流程缩短设计时间、提高调试质量，从而节约总体的设计与调试成本，使快速化、定制化的产品设计更容易落地实现。知识准备

2.硬件在环虚拟调试的基本环境配置与拓展

（1）基本环境配置

本任务采用西门子博途+NXMCD的基本环境配置方案实现硬件在环虚拟调试，如图4-33所示。这一方案以OPCUA协议作为通信方式，可为虚拟调试提供稳定、实时的连接。

如此前各项目与本项目任务1所述，上述基本环境配置所涉及的软件版本为NX2306和TIAPortalV16.0。

图4-33知识准备（2）环境配置拓展

如果有条件使用相关软件工具，也可以配合实体设备，在类似的硬件在环虚拟调试任务中使用经过拓展的环境配置。一种可供参考的配置所涉及的各软件工具（在此不列出具体的软件版本）如图4-34所示，包括NXMCD、TIAPortal和KEPServerEX。图4-34任务实施3任务实施一、深度检测模块硬件在环虚拟调试

（1）PLC组态与程序编写及I/O变量表准备1）按照实际需要编写对DLDS-532实训平台中的自动供料单元（一站）深度检测模块实施控制的PLC组态与程序，并完善对应HMI界面的绘制。注意，无论是否直接使用本教材提供的PLC程序，为了保证外部信号配置与信号映射得以快速、顺畅完成，都需要按照给定“IO变量表”文件夹中的各变量表文件，确认PLC变量与其一致。在这一子任务中，目标是完成DLDS-532实训平台中的自动供料单元（一站）深度检测模块的PLC程序和HMI程序编写，并通过MCD建模，仿真其检测升降气缸与检测伸缩气缸运动。最终，在完成外部信号配置与信号映射后，实现针对该模块的硬件在环虚拟调试，确保在使用实体PLC与HMI操控时，模块的运动效果符合预期，且与模型中其他元素正确互动。任务实施与深度检测模块控制相关的IO变量如图4-35所示。对应的HMI界面参考如图4-36所示。图4-35图4-36任务实施2）在PLC程序编写完成后，将所用变量导出为IO变量表备用。或者，可直接使用随教材提供的“IO变量表”文件夹中的各变量表文件，将其中对于硬件在环虚拟调试必要的各个变量编辑到一个专门新建的.xlsx文件中进行保存。无论采用以上哪种方式准备供NXMCD导入的IO变量表，都需要注意保持文档格式，即各列顺序、列名称不变。

任务实施图4-37（2）NXMCD仿真建模1）在NXMCD仿真环境中打开“总图_step.prt”文件。2）在打开后的MCD模型中导入信号，并将步骤（1）第2步中导出或创建的.xlsx文件中各PLC变量导入为MCD模型信号，如图4-37所示。注意，在单击“确定”按钮进行导入前，需要在“创建选项”下拉列表框中选择“适配器”，以便在后续步骤中使用在此生成的信号适配器快速建立机电对象参数与导入信号间的公式，最终达成通过PLC程序实时控制MCD模型动作的效果。

任务实施3）为深度检测模块中的检测升降气缸与检测伸缩气缸创建刚体。由于在本子任务中只需要先实现深度检测模块中气缸的运动控制，因此在此可先不创建深度检测探杆相关的碰撞体，也不需要准备作为深度检测对象的物料。4）为检测升降气缸与检测伸缩气缸建立滑动副，如图4-38所示。注意，由于检测伸缩气缸跟随检测升降气缸运动，需要为滑动副选择检测升降气缸刚体，将其作为检测伸缩气缸滑动副的基本体。图4-38

任务实施5）为上一步骤中建立的滑动副建立位置控制（可将默认速度设置为一大于零的值）。同样地，由于在本子任务中只需要先实现深度检测模块中气缸的运动控制，暂不涉及深度检测功能的实现，在此可先不创建相应的传感器、物料，以及用于承载和移动物料的传输面。6）在第2）步创建的信号适配器中添加深度检测模块检测升降气缸与检测伸缩气缸所对应的运动副与执行器的各个必要参数，并使用前述导入的信号创建公式以控制检测升降气缸上升/下降、检测伸缩气缸伸出/缩回，并实现实时显示各气缸原位/到位状态、模块是否处于测高状态、检测升降气缸下探深度等的功能，如图4-39所示。图4-39

任务实施（3）硬件在环虚拟调试1）使用NXMCD与博途软件，通过OPCUA通信协议，完成深度检测模块硬件在环虚拟调试所需的外部信号配置与信号映射设置。如果有HMI不直接控制或显示的信号（如某些起记录功能的信号），为了避免产生信号锁定问题，可在信号映射时注意不对其进行映射，或在博途软件中不创建对应信号的PLC变量。

另外，应注意在通过OPCUA通信协议进行外部信号配置过程中勾选所需的PLC变量时，如果在所需变量所在类别没有被展开时选择“全选”，则对应变量不会被成功选中。

任务实施2）确认完成PLC程序下载与组态装载，启动CPU运行，并单击NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。在仿真开始后，通过HMI界面进行控制观察MCD模型的运动及HMI中显示的数值、指示灯等元素是否符合预期。任务实施二、伺服搬运机械手模块硬件在环虚拟调试（1）PLC组态与程序编写及110变量表准备1）按照实际需要编写对DLDS-532实训平台中的智能仓储单元（三站）同服搬运机械手模块实施控制的PLC组态与程序，并完善对应HMI界面的绘制。注意，无论是否直接使用本教材提供的PLC程序，为了保证外部信号配置与信号映射得以快速、顺畅完成，都需要按照给定“IO变量表”文件夹中的各变量表文件，确认PLC变量与其一致。在这一子任务中，目标是完成DLDS-532实训平台中的智能仓储单元（三站）伺服搬运机械手模块的MCD建模，仿真其仓储X轴伺服、仓储Y轴伺服、仓储伸缩气缸、仓储升降气缸与仓储夹爪气缸运动，并配合使用博途软件，实现针对该模块的硬件在环虚拟调试，最终确保在使用HMI操控时，模块时运动效果符合预期，且与模型中其他元素正确互动。任务实施与伺服搬运机械手模块控制相关的I/O变量如图4-40所示。对应的HMI界面参考如图4-41所示。图4-40图4-41任务实施2）在PLC程序编写完成后，将所用变量导出为I/O变量表备用。或者，可直接使用随教材提供的“IO变量表”文件夹中的各SIMATICHMI变量表文件，将其中对于硬件在环虚拟调试必要的各个变量编辑到一个专门新建的.xlsx文件中进行保存。无论采用以上哪种方式准备供NXMCD导入的IO变量表，都需要注意保持文档格式，即各列顺序、列名称不变。任务实施1）在NXMCD仿真环境中打开“总图_step.prt”文件。2）在打开后的MCD模型中导入信号，并将步骤（1）中导出或创建的。xlsx文件中各PLC变量导入为MCD模型信号，如图4-42所示。注意，在单击“确定”按钮进行导入前，需要在“创建选项”下拉列表框中选择“适配器”，以便在后续步骤中使用在此生成的信号适配器快速建立机电对象参数与导入信号间的公式，最终达成通过PLC程序实时控制MCD模型动作的效果。图4-42（2）NXMCD仿真建模任务实施3）为伺服搬运机械手模块中的仓储X轴伺服、仓储Y轴伺服、仓储伸缩气缸、仓储升降气缸与仓储夹爪气缸创建刚体。由于在本子任务中只需要先实现伺服搬运机械手模块中各气缸与伺服的运动控制，因此在此可先不创建仓储夹爪气缸相关的碰撞体，也不需要准备作为伺服搬运对象的物料。4）为仓储X轴伺服、仓储Y轴伺服、仓储伸缩气缸与仓储升降气缸建立滑动副，如图4-43、图4-44所示。图4-43图4-44任务实施5）为上一步骤中建立的滑动副建立位置控制（可将默认速度设置为一大于零的值），如图4-45、图4-46所示。同样地，由于在本子任务中只需要先实现伺服搬运机械手模块中各气缸与伺服的运动控制，暂不涉及搬运过程中实际抓料、放料功能的实现，在此可先不创建相应的传感器、物料，以及用于承载物料的碰撞体。图4-45图4-46任务实施6）为伺服搬运机械手模块中的机械手机构创建手指握爪，如图4-47所示。注意，在选择手指体时，打开NXMCD仿真环境界面中的上方框条，并将过滤器设置为“实体”，以便顺利选择随着夹爪打开和关闭运动而移动的手指体各组成部分。图4-47任务实施7）在第2）步创建的信号适配器中添加伺服搬运机械手模块仓储X轴伺服、仓储Y轴伺服、仓储伸缩气缸、仓储升降气缸与仓储夹爪气缸所对应运动副与执行器的各个必要参数，使用前述导入的信号创建公式以控制X和Y轴伺服正/反向点动、仓储伸缩气缸伸出/缩回、仓储开降气缸上升/下降、仓储夹爪抓握/释放，并实现实时显示各气缸原位/到位状态、各伺服实时位置（与速度）、夹爪是否处于已抓握对象状态等功能，如图4-48所示。图4-48任务实施1）使用NXMCD与博途软件，通过OPCUA通信协议，完成伺服搬运机械手模块硬件在环虚拟调试所需的外部信号配置与信号映射设置，如图4-49、图4-50所示。如果有HMI不直接控制或显示的信号（如某些起记录功能的信号），为了避免产生信号锁定问题，可在信号映射时注意不对其进行映射，或在博途软件中不创建对应信号的PLC变量。图4-49图4-50（3）硬件在环虚拟调试任务实施

另外，应注意在通过OPCUA通信协议进行外部信号配置过程中勾选所需的PLC变量时，如果在所需变量所在类别没有被展开时选择“全选”，则对应变量不会被成功选中。2）确认完成PLC程序下载与组态装载，启动CPU运行，并单击NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。在仿真开始后，通过HMI界面进行控制观察MCD模型的运动及HMI中显示的数值、指示灯等元素是否符合预期。任务评价与拓展4任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分1深度检测模块硬件在环虚拟调试效果NXMCD建模与运动控制快捷、正确，并不会对硬件在环虚拟调试造成不必要的困难或阻碍（此部分可视实际教学需要，加入对PLC控制程序的评分）50硬件在环虚拟调试前外部信号配置与信号映射设置快捷、正确能够在硬件在环虚拟调试中操控HMI，控制检测升降气缸上升/下降、检测伸缩气缸伸出/缩回能够在硬件在环虚拟调试中操控HMI，实现实时显示各气缸原位/到位状态、模块是否处于测高状态、检测升降气缸下探深度等的功能任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分2伺服搬运机械手模块硬件在环虚拟调试效果NXMCD建模与运动控制快捷、正确，并不会对硬件在环虚拟调试造成不必要的困难或阻碍（此部分可视实际教学需要，加入对PLC控制程序的评分）50硬件在环虚拟调试前外部信号配置与信号映射设置快捷、正确能够在硬件在环虚拟调试中操控HMI，控制X和Y轴伺服正/反向点动、仓储伸缩气缸伸出/缩回、仓储开降气缸上升/下降、仓储夹爪抓握/释放能够在硬件在环虚拟调试中操控HMI，实现实时显示各气缸原位/到位状态、各伺服实时位置（与速度）夹爪是否处于已抓握对象状态等的功能任务评价与拓展1.一站料盒供料模块硬件在环虚拟调试的实现

如果具备使用硬件PLC进行调试的条件，可将程序直接下载到PLC中，并通过建立硬件PLC与MCD软件之间的通信关联，实现硬件在环虚拟调试，从而降低调试成本。使用1500PLC+博途+NXMCD软件平台，实现一站料盒供料模块硬件在环虚拟调试。课后练习任务评价与拓展2.二站钢珠灌装模块硬件在环虚拟调试的实现

应用1500PLC并结合博途和NXMCD软件平台，实现二站钢珠灌装模块硬件在环虚拟调试。课后练习任务评价与拓展

在时间紧张的实战环境中，学生可以使用如下简易方法在NXMCD仿真环境内快速实现暂停/恢复与