采用PLC数据匹配的MCD风力发电机虚拟仿真监控

Ｓｍａｒｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　采用ＰＬＣ数据匹配的ＭＣＤ风力发电机虚拟仿真监控　邢学快　，王直杰　，沈亮亮　，顾志心　，杨　超　（１．东华大学信息科学与技术学院，上海２０１６２０；２．西门子工业软件（上海）有限公司，上海２０００４２；p　３．上海交通大学机械学院，上海２０００３０）　摘　要：机电一体化概念设计（Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｃｅｐｔ　Ｄｅｓｉｇｎｅｒ，ＭＣＤ）是西门子工业软件有限公司研发的全新仿真平台，比传统　ＷｉｎＣＣ仿真效果更加清晰直观、便捷。ＭＣＤ尚处于研发阶段，与ＰＬＣ进行通信的过程尚不能实现数据的完整交互。该文研究　如何实现ＭＣＤ仿真平台与ＰＬＣ数据交换进而实现虚拟仿真监控，包括对ＭＣＤ平台建立的运动仿真模型进行优化，通过ＸＭＬ　变量匹配ＰＬＣ输入／输出（Ｉ／０）数据，利用ＯＰＣ　Ｓｅｒｖｅｒ作为ＭＣＤ与ＰＬＣ通信的桥梁，从而实现ＭＣＤ与ＰＬＣ的数据交换，完成虚　r拟仿真监控。　关键词：ＭＣＤ；虚拟仿真；ＰＬＣ；监控　f中图分类号：ＴＰ２３　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉPｓｓｎ．１６７４－７７２０．２０１６．０９．００１　引用格式：邢学快，王直杰，沈亮亮，等．采用ＰＬＣ数据匹配的ＭＣＤ风力发电机虚拟仿真监控［Ｊ］．微型机与应用，２０１６，３５（９）：３－５．　Ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｍ　Ｃ　Ｄ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ＰＬＣ　ｄａｔeＸｉｎｇ　Ｘｕｅｋｕａｉ　，Ｗａｎｇ　Ｚｈｉｊｉｅ　，Ｓｈｅｎ　Ｌｉlａ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　oａｎｇｌｉａｎｇ　，Ｇｕ　Ｚｈｉｘｉｎ　，Ｙａｎｇ　Ｃｈａｏ。　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｏｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳＩＥＭＥＮＳ　ＰＬＭ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ（Ｓｈａｎｇｈａｉ）　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００４２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉiｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｃｅｐｔ　Ｄｅｓｉｇｎｅｒ（ＭＣＤ）ｉgｓ　ａ　ｎｅｗ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ＳＩＥＭＥＮＳ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｃｌｅａｒ　ａｎｄ　ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ＷｉｎＣＣ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ＭＣＤ　ｉｓ　ｓｔｉｌｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｇｅ．ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ＰＬＣ，ｉｔ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｄａｔａ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ＭＣＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｌａｔ—　ｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＰＬＣ　ｄａｔａ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＭＣＤ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔsｈｅ　ＸＭＬ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ＰＬＣ　ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ（Ｉ／Ｏ）ｄａｔａ，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＯＰＣ　Ｓｅｒｖｅｒ　ａｓ　ＭＣＤ　ａｎｄ　ＰＬＣ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ＭＣＤ　ａｎｄ　ＰＬＣ，ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＣＤ；ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＰＬＣ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　０　引言　P模型创建完成之后，需要寻找一种能够通过ＳＴＥＰ７编译的　ＭＣＤ是西门子开发的在下一代数字化产品开发系统　文件，本文利用ＭＣＤ仿真模型创建的特点，将仿真序列压　（Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｎｅｘｔz　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＵＧ　ＮＸ）环境下建立３Ｄ模型　缩成ＸＭＬ文件，其中的变量在模型创建的过程中，保留了　与实现运动仿真的虚拟平台　Ｊ。这种全新的仿真平台从　事件属性以及地址变量，从而可以匹配硬件ＰＬＣ输入／输出　功能出发，在研发的需求阶段建立需求模型，在仿真平台　（Ｉ／０）数据变量。ＰＬＣ是通过数字或模拟式输入／输出控制　上根据实际运动场景，对３Ｄ模型进行运动物体的定义以　各种类型的机械运动，目前两者不具备直接通信的可能　，　及传感器等系统定义，通过与硬件ＰＬＣ进行实时通信，实　本文总结ＭＣＤ仿真模型创建的特点以及ＰＬＣ通信原理，通　现工业生产线在ＭＣＤ平台上的协同监控　，这种设计理　过运用一种利用微软的接口技术来达成自动化控制协定　念比传统视窗控制仿真监控效果更加清晰直观、z便捷。　（ＯＬＥ　ｆｏｒ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＯＰＣ）Ｓｅｒｖｅｒ，协助完成数据的传　ＭＣＤ在运动仿真模型建立的过程中，考虑到以运动副　输，同时利用ＭＣＤ模型分配的地址数据匹配ＰＬＣ输入输出　作为设计对象的仿真序列不能通过ＳＴＥＰ＇／编译，无法与　数据的地址，实现ＭＣＤ与ＰＬＣ信息交互，从而实现ＭＣＤ监　ＰＬＣ进行数据交互，从而大大增加了运动模型创建的难度，　控真实机械物体运动的状态　。　本文抛弃传统的基于时间的仿真序列而采用全新的基于事　１　系统构成　件的仿真序列，创建的仿真模型可以将每个运动属性设置　本文选择风力发电机来实现ＭＣＤ与ＰＬＣ之间相互　成行为序列，为ＰＬＣ数据匹配提供了可能　。在ＭＣＤ仿真　通信，完成对真实风力发电机虚拟监控。在ＭＣＤ平台下，　《微型机与应用））２０１６年第３５卷第９期　欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ　３　zＳｍａｒｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　通过对风力发电机３Ｄ模型的建立、物理属性的定义、运　建条件语句来确定何时触发以改变参数。这样的优化设　计大大提高了ＭＣＤ与ＰＬＣ通信的可能。　动属性的定义、运动仿真序列的创建从而实现在ＭＣＤ平　台中虚拟仿真运动，通过ＰＬＣＯｅｎ　ＸＭＬ在ＰＬＣ端实现链　接，进而在西门子开发的一款ＰＬＣ编程平台ｓ７　Ｇｒａｐｈ中　修改监控数据。ＭＣＤ中的输出参数是ＰＬＣ中的输入控制　条件指令，ＰＬＣ中输出指令作为控制ＭＣＤ运动状态的输　３数据匹配与通信验证　３．１　ＸＭＬ与ＰＬＣ数据匹配　入数据，合理匹配两者通信地址的数据，再利用ＯＰＣ　Ｓｅｒｖ—　ｅｒ作为ＭＣＤ与ＰＬＣ中间桥梁协助完成数据传递，最终完　真阶段采用ＰＬＣＳＩＭ作为调试工具，模拟监控ＭＣＤ风力　成ＭＣＤ监控真实风力发电机的运动状态。本文在虚拟仿　rpＭＣＤ运动的逻辑存储在运动序列编辑导航器中，而在　ＳＴＥＰ７中则是用ｓ７　Ｇｒａｐｈ来呈现一个设计的运动逻辑。在　ＳＴＥＰ７中支持用ＰＬＣ语言编写逻辑程序。为了能够将　ＭＣＤ地址与ＳＴＥＰ７地址对应匹配，本文运用ＭＣＤ模型建　立的特点，在仿真序列编辑器中以ＸＭＬ文件格式导出仿真　数据，由于建立模型与运动仿真具有相似的输入输出地址，　发电机运行状态，同　时在西门子工业软件　有限公司自动化智能　实验室提供硬件ＰＬＣ　的条件下完成了真实　风力发电机模型的现　场演示，证明了ＭＣＤ　与ＰＬＣ在工业生产　中可以实现虚拟仿真　e监控数据实时交　图１　ＭＣＤ与ＰＬＣ通信结构图　l互　。图１是ＭＣＤ与ＰＬＣ通信结构图。　２模型建立与仿真优化　o２．１　模型建立　整个风力发电机模型主要包括３个模块：风扇、齿轮　i以及轴承支架。在ＭＣＤ环境中以轴承支架为基准逐一建　立模型。整个建模中，进入草图环境，根据风力发电机尺　寸大小、风扇角度、齿轮数量画出草图，通过运用ＵＧ　ＮＸ　g提供的３Ｄ模型绘制平台，完成风力发电机模型的创建。s　ＭＣＤ提供了一个可以模拟真实场景的仿真平台，能够定　义刚体、碰撞体、体积、质量、摩擦因子、阻力、密度等物理　属性，方便用户进行真实运动的实验，也能定义机械运动　的所有运动副、传感器、平台接口以及运动序列。在整个　P风力发电机模型设计中，需要定义各部分何时开始执行运　动，何时运动停止以及如何运动。控制ＭＣＤ中的任何对象。在ＭＣＤ定义的对象中，每个对　z　２．２　仿真优化　仿真序列是ＭＣＤ中的控制元素，可以通过仿真序列　象都有一个或多个参数，可以通过创建仿真序列修改预设　值。基于时间的仿真序列是通过时间追踪风力发电机每　个时刻的运动状态，这种仿真参数的设置对于机械运动有　很好的跟踪效果，但是无法获得每个模块的具体地址数　据。本文采用优化事件的仿真序列，比如风力发电机风扇　的运动控制，物理对象选择相应的位置控制器，在参数列　表中选择需要赋值的参数并设置输入值，当位置和速度被　赋予预设值时，ＭＣＤ仿真模型会根据其运动状态自动计　算其时间，并不需要设置时间参数，同时在仿真序列中创　４　可以在ＰＬＣ中分配相同的地　在ＭＣＤ平台下，风力发电　机运动属性在仿真序列中呈现与硬件ＰＬＣ通信数据相似的　特点，本文运用这一特点进行数据匹配。以下是风力发电　机ＭＣＤ仿真模型导出的ＸＭＬ文件部分数据：f　＜Ｉｔｅｍ　ｎａｍｅ＝’’Ｒｅａｌ　ＭＤ２０”ｔｙｐｅ：’’ｆｌｏａｔ”ＰＬＣ＝”１”ａｄｄｒｅｓｓ＝”　Ｍｎ，ｎ”／　＜Ｉｔｅｍ　ｎａｍｅ＝”Ｒｅａｌ　ＭＤ４０”ｔｙｐｅ：”ｆｌｏａｔ”ＰＬＣ＝”１”ａｄｄｒｅｓｓ＝”　ＭＤ４Ｏ”／＞　＜Ｉｔｅｍ　ｎａｍｅ＝”Ｂｏｏｌ　Ｍ０．０”ｔｙｐｅ＝’’ｂｏｏｌ”ＰＬＣ＝”１”ａｄｄｒｅｓｓ：”Ｍ０．　０”／＞　＜Ｉｔｅｍ　ｎａｍｅ＝”Ｂｙｔｅ　ＭＢ１”ｔｙｐｅ＝　’ｂｙｔｅ”ＰＬＣ＝”１”ａｄｄｒｅｓｓ＝”　ＭＢ１”／＞　由于ＭＣＤ中部分文件与ＰＬＣ数据地址不能直接匹　配，本文在总结模型建立特点与仿真运动序列逻辑变化的　基础上，提出了新的修改方案：　（１）将风力发电机ＭＣＤ模型通过仿真序列导航器导　出ＰＬＣ　ｏｐｅｎ　ＸＭＬ，并检查ＸＭＬ文件输入输出数据是否完　整。建立的模型并不一定能够完整呈现所需要的数据，通　过对ＰＬＣ特点的分析，修改ＸＭＬ文件，将地址为ＭＤ２０、　ＭＤ４０的变量与ＰＬＣ输出变量进行匹配，控制风力发电机　风扇的旋转与轴承支架的转动　。　（２）通过ＳＩＭＡＴＩＣ　Ｍａｎａｇｅｒ提供的编程平台，建立工　程、选择ＰＬＣ型号（本文选择插入ＳＩＭＡＴＩＣ　３００　Ｓｔａｔｉｏｎ），　在ＳＩＭＡＴＩＣ中进行硬件的组态。利用ＳＩＭＡＴＩＣ　Ｍａｎａｇｅｒ　中资源项Ｓｏｕｒｃｅ导入ＸＭＬ文件而不是采用ｓ７　Ｇｒａｐｈ平台　绘制顺序控制图。　（３）ＰＬＣ数据的配置。在ＳＩＭＡＴＩＣ　Ｍａｎａｇｅｒ中编译　ＭＣＤ—ＤａｔａＢｌｏｃｋ、添加ＭＣＤ—Ｓｅｑ、编辑Ｓｅｑ图、初始化变量　ＭＣＤ　Ｄａｔａ、添加主程序ＯＢ１、设置ＰＧ／ＰＣ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ。Ｄａｔ—　ａＢｌｏｃｋ　ＤＢ１是ＰＬＣ数据块，将ＤＢ１．ＤＢＸＯ．０与ＤＢ１．ＤＢＢ１　作为控制风力发电机风扇旋转与轴承支架转动的硬　件ＰＬＣ地址数据。以下给出了本次设计部分配置地址数　据：　＜Ｉｔｅｍ　ｎａｍｅ＝”Ｂｏｏｌ　ＤＢ１．ＤＢＸ０．０”ｔｙｐｅ＝”ｂｏｏｌ”ａｄｄｒｅｓｓ：”ＤＢ１．　ＤＢＸ０．０”／＞　＜Ｉｔｅｍ　ｎａｍｅ＝”Ｂｙｔｅ　ＤＢ１．ＤＢＢ１”ｔｙｐｅ＝”ｂｙｔｅ”ａｄｄｒｅｓｓ＝”ＤＢ１．　ＤＢＢ１”／＞　《微型机与应用）２０１６年第３５卷第９期　zzP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