数字孪生技术 课件 第4章 　面向数字孪生的产线虚拟调试

第四章面向数字孪生的

产线虚拟调试04第一节数字孪生调试技术概述第二节虚实交互技术基础第三节人机交互界面设计基础第四节PLC编程调试设计基础第五节仿真路径优化策略与实践第六节碰撞检测优化技术与应用第一节数字孪生调试技术概述虚拟调试介绍数字孪生调试概述数字孪生调试方法1.1虚拟调试概述

虚拟调试是指设计和测试一台生产设施或机器的虚拟模型。它借助3D仿真，针对某个通常与自动化系统相连的设施，创建一个数字副本，以便在正式生产或做出实际改变前，对生产的每一个方面进行虚拟测试。虚拟调试技术分为了软件在环（SIL）和硬件在环（HIL）调试。其中软件在环是指控制器与物理实体均采用虚拟模型，采用仿真软件实现的虚-虚结合的闭环调试技术。硬件在环是指控制器采用真实CPU（如PLC），物理实体采用虚拟模型，属于“虚-实”结合的闭环调试方式。两者都强调虚拟调试，即参与调试的设备均为虚拟模型。需求分析系统设计虚拟模型编程与配置集成与连接模拟与测试数据分析调试与优化验证与确认文档编制培训与演示准备物理实验虚拟调试完成实体PLCPLC程序1.2数字孪生调试原理

数字孪生指通过建立与实际系统一一对应的虚拟模型，进行系统运行过程的同步更新，以深入理解系统运行状态，并为实际系统的诸多问题提供解决方案。而数字孪生调试则是指在数字孪生模型的基础上，进行的一系列调试和验证活动，其主要目的是确保数字孪生模型准确地反映物理对象的行为，并能够有效地用于分析和决策。数字孪生提供了实施检测和分析的工具，而数字孪生虚拟调试是确保这一工具的有效性和可靠性。其具体过程如下：首先通过将实际系统的传感器数据、控制信号等实时采集并传输给孪生模型，从而系统模型根据接收到的数据进行仿真计算，生成预期的结果，然后将预期结果与实际系统的输出进行比较，发现差异并分析原因。通过不断迭代调试，逐步优化数字孪生模型，最终达到与实际系统一致的结果。数字孪生调试流程1.3数字孪生调试的方法数字孪生调试方法是一种先进的虚拟测试和优化技术，它通过创建物理实体或系统的精确虚拟副本，即数字孪生，来模拟和预测实体在现实环境中的行为。这种方法利用实时数据同步，将传感器收集的物理实体信息反馈到数字模型中，从而实现对模型的动态更新。在数字孪生环境中，工程师可以进行各种仿真测试，包括性能测试、故障模拟和维护策略评估，而无需对实际物理系统进行干预。通过比较数字孪生模型的仿真结果与物理实体的实际表现，可以识别差异、分析原因，并进行必要的调整和优化。这种方法不仅提高了调试的效率和安全性，还减少了成本和时间，同时为预测性维护和决策支持提供了强有力的工具。数字孪生调试的关键在于其能够实现快速迭代和持续改进，使得产品和系统在实际部署前能够达到更高的性能和可靠性标准。数字孪生调试方法第二节虚实交互技术基础基于数字孪生的通讯调试概述通讯调试过程通讯连接2.1基于数字孪生的通讯调试概述

数字孪生是以模型为基础，数据为核心的技术。数字孪生体需要采集物理实体设备的状态、工艺流程和环境数据等，且数据贯穿于数字孪生系统的全生命周期，包括数据采集、传输、存储、处理、融合、可视化等多个环节，完成上述过程首先应选择通信接口和通信协议。

通讯接口包括硬件接口、软件接口，硬件接口包括物理接口、电气接口，软件接口则主要用于规范通信设备之间的通信协议、数据格式等信息。通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵守的规则和约定，通俗的讲，就是通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，使其能协同工作实现信息交换和资源共享。常见的通信协议包括了Modbus通信协议、RS-232通信协议、RS-485通信协议、MPI通信协议和OPC数据采集协议等等。

三菱PLC的通讯原理西门子PLC的通讯方式2.2通讯调试过程------虚拟信号传送带信号的建立机构信号建立传感器信号建立机器人信号物料流信号2.2通讯调试过程------PLC通讯设置TIA通讯设置S7-PLCSIMAdvancedV3.0设置在西门子PLC中，打开S7-PLCSIMAdvancedV3.0，S7-PLCSIMAdvancedV3.0包含大量的仿真功能，如图4-27所示，通过创建虚拟控制器对S7-1500和ET200SP精简型的1500PLC控制进行仿真，该软件在博图环境下，下载程序时搜索仿真的PLC进而与Processsimulate这款软件进行连接。2.2通讯调试过程------PLC与PDPS通讯PDPS通讯设置外部连接通讯验证

然后需要进行PDPS软件与PLC的通讯设置的设置。在PDPS软件里点击选项，按照图4-29所示步骤，在仿真栏选择外部连接。按照图4-30步骤设置外部连接，其中步骤②添加的外部连接是之前已设定成功的PLCSIMAdvanced的虚拟PLC。最后点击验证，如图4-31所示，验证成功后就可以进行两者的连接。在进行通讯时需要注意PLC中的信号点位要与PDPS中的信号点位要一致，再进行通讯测试，才能成功。需要对地址和PLCConnection进行设置，完成最终通讯。2.3通讯连接勾选PLC的连接与外部连接PDPS信号监控PDPS与 PLC连接第三节人机交互界面设计基础硬件组态概述组态软件设置3.1硬件组态概述

硬件组态是指将硬件设备按照移动的规则和方式进行组合和配置，包括选择合适的硬件设备、确定设备之间的连接方式和通信协议、配置设备参数和设置软件驱动等，硬件组态是控制系统设计和集成中不可或缺的环节，直接影响控制系统的性能和稳定性。它通常用于工业自动化、建筑自动化和能源管理等领域，用于监控和控制诸如工厂设备、建筑系统和能源系统等复杂系统的运行，通常提供图形化界面，允许用户创建和编辑监控界面，包括图标、仪表盘、报警和时间处理等。它可以连接到各种传感器、仪器和控制设备，通过读取和写入数据来实时检测和控制系统的状态，提供数据记录和分析功能，帮助用户分析系统的效率和性能，并进行故障诊断和优化。组态软件是一种用于构建、管理和操作监控系统的软件工具，提供了丰富的功能和工具，帮助用户实时检测和控制复杂系统的运行PLC与组态连接方案3.2组态软件设置HMI添加画面1布局组态连接外观设置第四节PLC编程调试设计基础PLC编程调试PLC编程应用4.1PLC编程调试

在PLC程序设计中，首先要确定好PLC类型模块，传感器的个数以及I/O点数量，然后确定好硬件中给定的点位数量，确保PLC的输入输出点位与PDPS软件中的输入输出点位保持一致，然后在PLC编程软件中进行程序的编写。I/O点校验

I/O校验是指将数模中的信号和PLC的信号一一对应起来，类似于现场的I/O校验一样。这个比较简单，主要有2种方式：一种检查数模处在哪个位置，确定对应的PLC信号是否为on；还有一个是从PLC那端开始校验，PLC给出一个动作信号，数模就应该有对应的动作，然后检查相关的信号是否一致

将离线程序导入到PLC中，开始和数模互动联调。因受条件限制，虚拟调试的环境不可能会和现场配置那么齐全，虚拟调试的环境一般不含I/O总线模块、安全装置和按钮指示灯等。所以虚拟调试中的程序和现场程序是有一些区别。在程序调试的时候要做一些调整，一般是添加一些跳转信号或者是短接、屏

蔽信号，以满足虚拟调试程序需求。程序联调

联调注意某些元器件是虚拟环境中没有的，那么有些信号无法直接获取，需要在程序中加短接或开路信号。一般不建议在源程序上直接改动，如强制变量，删除变量或加短接、旁路支路，这样会导致和现场调试时需要用大量的时间进行程序的恢复工作，并且很容易疏忽或遗漏，增加调试时间，建议在程序中建立变量组，对应常开或常闭信号，按功能进行分类。在程序需要短接的地方引入常闭的旁路信号，在程序中建立相应的变量组，对应常开的地方插入常开变量。这样程序可以快速切换，避免切换时的错误4.2PLC编程应用添加CPU部分变量表梯形图绘制动作需求动作设置第五节仿真路径优化策略与实践机器人编程调试原理机器人调试过程机器人路径仿真机器人路径优化5.1机器人编程调试原理

在线调试是指通过直接连接到机器人进行调试的方法。在这种方法中，开发者可以实时地监控和调试机器人的行为。在线调试的原理是通过与机器人的通信接口进行交互，发送指令并接收机器人的反馈信息。这种方式可以实时查看机器人的传感器数据、执行状态以及调试输出信息，快速定位和解决问题。在线调试的优点是实时性强，可以直接观察机器人的行为，但需要保持机器人与调试设备的连接，对硬件要求较高。

离线调试是指在不与机器人直接连接的情况下进行调试的方法。在这种方法中，开发者使用模拟器或者离线的仿真环境来模拟机器人的行为，并对程序进行调试。离线调试的原理是通过将机器人的行为和环境模拟出来，使开发者可以在没有实际机器人的情况下进行开发和调试。离线调试的优点是灵活性高，不受硬件限制，可以在任何时间和地点进行调试，但无法直接观察机器人的实际行为

虚拟编程调试是指使用虚拟编程环境进行调试的方法。在这种方法中，开发者可以在计算机上使用专门的软件工具来编写、调试和测试机器人的程序。虚拟编程调试的原理是通过将机器人的行为和环境模拟出来，使开发者可以在计算机上实时地观察和调试机器人的行为。虚拟编程调试的优点是便捷性高，不需要实际机器人和硬件设备，可以快速进行开发和调试，但无法完全模拟机器人的实际工作环境。在线调试离线调试虚拟编程调试5.2机器人调试过程导入机器人资源机器人布局夹爪运动学设置末端执行器的安装创建机器人拾放操作拾放操作5.3机器人路径仿真开启自动示教并插入过渡点位操控面板与示教坐标过渡点位添加机器人路径点运行仿真与程序导出基于时序和信号仿真5.4机器人路径优化路径编辑操作运动类型调整机器人路径点参数设置机器人程序优化第六节碰撞检测优化技术及应用机器人碰撞检测介绍机器人碰撞检测原理及方法基于几何模型的碰撞检测算法基于图像空间的碰撞算法机器人碰撞检测过程6.1机器人碰撞检测的介绍机器人碰撞检测是确保机器人在执行任务时不会与其周围环境或其他物体发生碰撞的技术和过程。碰撞检测对于提高机器人操作的安全性、效率和可靠性至关重要。其进行碰撞检测可以避免机器人和操作人员受伤，减少机器人、设备和产品损坏的风险，还可以优化路径规划，减少不必要的停顿和延误，并确保机器人系统稳定运行减少意外停机。其碰撞检测分为静态碰撞检测（检测机器人与静止或已知运动物体的潜在碰撞）和动态碰撞检测（考虑机器人和其他物体的动态运动，预测未来位置和路径上的碰撞）。几何建模空间分割边界盒分离轴定理射线投射距离场工业自动化医疗机器人无人驾驶领域服务机器人计算复杂性实时性准确性与效率的平衡6.2机器人碰撞检测原理及方法

机器人碰撞检测是指通过对机器人运动轨迹的预测和碰撞检测算法的优化，提高机器人在复杂环境中的碰撞检测的效率和准确性。然后从空间域角度出发，碰撞检测算法可以分为基于图像空间和基于几何空间的碰撞算法两大类，其中基于图像控件的碰撞算法是利用图形硬件将模型投影到二维平面空间。基于几何模型的碰撞检测：机器人通常由多个刚体组成，可以使用几何模型（如包围盒、球体、凸多边形等）来表示机器人的形状。利用几何模型之间的相交关系，可以有效地检测机器人是否发生碰撞。例如，使用包围盒层次结构（BoundingVolumeHierarchy，BVH）来加速碰撞检测过程。

碰撞检测算法的优化：针对复杂的机器人模型和大规模环境，传统的碰撞检测算法往往需要消耗大量的计算资源。为了提高碰撞检测的效率，可以采用一些优化算法，如近似算法、快速碰撞检测算法等。例如，使用网格化方法将机器人和环境进行离散化处理，从而减少检测的计算量。机器人碰撞算法原理6.3基于图像空间的碰撞算法基于图像空间的碰撞算法利用图形硬件将模型投影到二维平面空间，再根据这些投影的相交情况和模型的各类缓存信息来判断模型之间是否碰撞，图形处理器也称为图形处理单元。优点是碰撞检测过程不需要进行任何预处理，且能够利用GPU加速图形的渲染，降低CPU的计算负荷，但缺点是图像的