一种用设备虚拟样机辅助测试plc控制程序的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于程序测试技术领域，涉及一种用设备虚拟样机辅助测试PLC控制程序的方法。
【背景技术】
[0002]目前应用诸如UG、SolidWorks等CAE/CAD/CAM编制平台来辅助设计与制造的机械设备，配备的控制系统多以PLC作为控制器，而PLC控制程序的正确性、合理性直接关系到产品的安全和时效。目前，对于程序的控制功能测试验证，仍普遍采用直接在实际产品上进行控制功能测试的方式。但是，当产品处于机、电、液联调测试阶段，由于编写的PLC控制程序可能存在逻辑控制、运动控制算法上的错误，导致设备出现误操作，因此存在很高的测试风险，特别是大型、复杂的设备，更易造成设备损毁、人身伤害等事故。同时在机、电、液联调测试阶段才进行PLC控制程序的逻辑测试及程序修改，将极大地延长产品的编制周期。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种用设备虚拟样机辅助测试PLC控制程序的方法，解决了现有技术中采用直接在实际产品上进行控制功能测试，存在测试风险、逻辑测试及程序修改，极大地延长产品编制周期的问题。
[0004]本发明所采用的技术方案是，一种用设备虚拟样机辅助测试PLC控制程序的方法，按照以下步骤实施:
[0005]步骤1、进行程序编制
[0006]总共涉及四部分程序，其中需要编制设备虚拟样机程序、OPC客户端程序、PLC控制程序；另外，OPC服务器程序使用PLC控制器厂商提供的OPC服务器程序，只需进行相应的通讯数据配置；
[0007]1.1)编制设备虚拟样机程序
[0008]编制设备虚拟样机程序又分为处理三维模型及编制三维仿真程序，
[0009]处理三维模型:首先导出UG或SolidWorks编制平台下设计的产品三维实体精确模型；然后导入至3DS MAX平台，并在3DS MAX平台中进行模型优化及渲染，把三维实体精确模型转换为三维简模，最后导出三维简模；
[0010]编制三维仿真程序:首先将上述的三维简模导入虚拟现实编制平台中；然后通过编写程序，赋予三维模型的设备虚拟样机功能，即三维模拟机械设备的物理运动情况，并能输出虚拟传感器数据；
[0011]1.2)编制PLC控制程序;
[0012]1.3)编制OPC客户端程序；
[0013]步骤2、搭建硬件
[0014]搭建PLC控制系统、PC机、通讯网络，通过通讯卡将PLC控制系统与PC机联网；
[0015]步骤3、安装程序及配置通讯
[0016]将步骤I得到的四部分程序分别安装至相应的硬件设备上，并完成数据通讯配置；
[0017]步骤4、测试程序
[0018]在进行机、电、液联调测试之前，采用设备虚拟样机进行辅助测试及验证PLC控制程序的逻辑控制、运动控制算法是否正确、合理，并根据测试结果进行修改、优化，即成。
[0019]本发明的有益效果是:
[0020]I)直接以UG、Solidfforks等CAE/CAD/CAM研制平台输出的模型作为设备虚拟样机的三维模型，减少单独编制三维模型的成本及时间。
[0021]2)用设备虚拟样机测试PLC程序，能够直观形象地观察机械设备的运动情况，以此判断PLC程序的正确性；同时提高PLC控制程序测试的安全性，缩短产品的研制周期，降低研制费用。
【附图说明】
[0022]图1为本发明方法所用的物理架构示意图；
[0023]图2为本发明方法所用的逻辑架构示意图；
[0024]图3为本发明实施例的机械设备结构示意图；
[0025]图4为本发明实施例的电气硬件示意图。
【具体实施方式】
[0026]以下通过附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0027]本发明的方法，通过设备虚拟样机辅助测试PLC控制程序，包括硬件的物理架构和软件的逻辑架构。
[0028]如图1所示，硬件物理架构包括三部分:
[0029]DPLC控制系统，包括用于运行PLC控制程序的PLC控制器、相应的按钮、开关、操作手柄等构成的操作输入设备、以及上位机监控设备。
[0030]2)PC机，包括计算机主机及其显示器、键盘鼠标，用于运行OPC服务器程序、OPC客户端程序、设备虚拟样机程序；若机械设备比较复杂，设备虚拟样机就需要更高的三维图形处理能力，此时应相应地配置三维图形处理能力更高的显卡。
[0031]3)通讯卡，用于PLC控制器与PC机之间的通讯，采用基于PLC控制器厂商提供的OPC服务器支持的工业通讯方式，常用工业通讯方式包括TCP/IP、Profibus, Profinet、工业以太网、MPI等。
[0032]如图2所示，软件的逻辑架构包括四部分程序:
[0033]DPLC控制程序，即实验对象机械设备的PLC控制程序，在PLC控制系统中的PLC控制器上运行。
[0034]2) OPC服务器程序，使用PLC控制器厂商提供的OPC服务器程序，再通过对应的通讯配置，就能够完成PLC控制程序与OPC客户端程序之间的数据通讯，比如Siemens公司提供的 Simatic NET OPC Server 程序。
[0035]3) OPC客户端程序，基于OPC基金会或者PLC控制器厂商提供的OPC客户端编制框架编制的通讯接口程序，完成OPC服务器程序与设备虚拟样机程序之间的数据通讯。
[0036]4)设备虚拟样机程序，设备虚拟样机用于三维模拟机械设备的物理运动情况，以PLC的控制输出作为驱动设备虚拟样机动作的输入，同时把设备的虚拟传感器数据返回给PLC控制程序。
[0037]本发明的方法，具体按照以下步骤实施:
[0038]步骤1、进行程序编制，最好采用并行研制的方式，以提高研制效率。
[0039]本发明方法中涉及的四部分程序，实际需要开发的是设备虚拟样机程序、OPC客户端程序、PLC控制程序；而OPC服务器程序使用PLC控制器厂商提供的OPC服务器程序，只需进行简单的通讯数据配置即可使用。
[0040]1.1)编制设备虚拟样机程序
[0041]编制设备虚拟样机程序又分为处理三维模型及编制三维仿真程序，
[0042]处理三维模型:首先导出UG、Solidfforks等编制平台下设计的产品三维实体精确模型；然后导入至3DS MAX平台，并在3DS MAX平台中进行模型优化及渲染，把三维实体精确模型转换为三维简模，以满足虚拟现实技术中实时渲染的简模要求；最后导出三维简模；
[0043]编制三维仿真程序:首先将上述的三维简模导入虚拟现实编制平台中；然后通过编写程序，赋予三维模型的设备虚拟样机功能，即三维模拟机械设备的物理运动情况，并能输出虚拟传感器数据；虚拟现实编制平台使用基于OpenGL或DirectX的底层编制平台，或使用3DVIA Virtools、Unity 3D、VR-Platform、Vega等成熟的虚拟现实技术编制平台。
[0044]1.2)编制PLC控制程序
[0045]根据机械设备的控制需求编制PLC控制程序。
[0046]1.3)编制OPC客户端程序。
[0047]步骤2、搭建硬件
[0048]按照图1所示，搭建PLC控制系统、PC机、通讯网络，通过通讯卡将PLC控制系统与PC机联网。
[0049]步骤3、安装程序及配置通讯
[0050]将步骤I得到的四部分程序分别安装至相应的硬件设备上，并完成数据通讯配置。
[0051]3.1)安装PLC控制程序
[0052]将步骤1.2)编制的PLC控制程序安装至PLC控制器中，并运行。
[0053]3.2)安装OPC服务器程序
[0054]首先安装PLC控制器厂商提供的OPC服务器程序至PC机上，然后在OPC服务器程序上配置PLC控制程序与OPC客户端程序之间的数据通讯。
[0055]3.3)安装OPC客户端程序
[0056]首先安装OPC客户端程序至PC机上，然后在OPC客户端程序上配置OPC服务器程序与设备虚拟样机程序之间的数据通讯。
[0057]3.4)安装设备虚拟样机程序
[0058]安装设备虚拟样机程序至PC机上，并运行。
[0059]步骤4、测试程序
[0060]此时就可在还未进行机、电、液联调测试之前，采用设备虚拟样机进行辅助测试及验证PLC控制程序的逻辑控制、运动控制算法是否正确、合理，并根据测试结果进行修改、优化；
[0061]如图1所示，根据信号流向，测试程序的流程分为八个小步骤，并循环执行，具体如下:
[0062]4.1)程序测试员进行操作指令输入，包括操作按钮、开关、旋钮、手柄等输入设备;
[0063]4.2)PLC控制程序首先读取检测信号、操作指令等输入，然后根据控制需求进行逻辑控制、运动控制运算，最后进行控制输出，包括开关量及模拟量；
[0064]4.3) OPC服务器程序读取PLC控制程序的控制输出；
[0065]4.4)OPC客户端读取OPC服务器程序上的PLC控制程序的控制输出，并传输给设备虚拟样机程序；
[0066]4.5)设备虚拟样机程序依据PLC控制程序的控制输出进行相应仿真动作，程序测试员通过观察、监测设备虚拟样机的运动情况，判断PLC控制程序的逻辑控制、运动控制等控制输出是否满足控制要求，若不合理则进行PLC控制程序修改及优化，直至满足控制要求；
[0067]4.6)设备虚拟样机程序执行仿真动作的同时，输出虚拟传感器数据；
[0068]4.7) OPC客户端程序读取虚拟传感器数据，并传输至OPC服务器程序；
[0069]4.8) OPC服务器程序把虚拟传感器数据输出至PLC控制程序，作为PLC控制程序的检测信号输入。
[0070]实施例
[0071]如图3，测试对象是一种处于编制过程中起重机械设备，假设ABC为设备的基座，AG为设备的机械臂，CD为设备的液压缸支撑臂，G点通过钢丝绳挂有重物。
[0072]控制目的是，AG机械臂通过⑶液压缸支撑臂的伸缩而绕A点上下运动，同时起重重物上下运输。
[0073]为了满足重物在上下运输过程中的平稳可靠，对起重设备作如下控制要求:AG机械臂的运动速度与操作手柄输入成比例关系；加减速平滑；到达最高点和最低点前进行减速，到达最高点和最低点后停止运动。
[0074]在该起重机械设备编制过程中，以UG作为起重设备的辅助设计平台，以SiemensS7-3