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孙立新，徐良君，杨东宇，董玉召 （河北工业大学 机械工程学院，天津 300130） 摘 要：为提高动态仿真系统的实时性和人机交互性，将PLC控制技术、三维建模技术与MCGS组态软件结合，提出了一种三维动态仿真系统的设计方法。以PLC作为控制器，MCGS组态软件作为动态仿真平台，分析仿真对象的运动状态并建立三维模型，通过组合位图和坐标变换的方法设计三维动态仿真画面，然后编写仿真程序来定义虚拟控制对象的仿真动作，并将MCGS组态软件和PLC控制器建立通信实现硬件在环HIL（Hardware-in-the-loop）仿真。结果表明所开发的动态仿真系统画面真实感强，实时交互性以及可靠性良好。 关键词：三维动态仿真系统；组态软件；人机交互；直角坐标机器人 1 引言系统仿真作为一种分析、设计、调试复杂系统的重要方法[1]，被广泛地运用在教学科研以及企业生产自动化升级改造过程中[2-4]。动态仿真需要实时采集现场数据并将设备运行状况直观地展现出来，因此，如何设计低成本、人机交互更为友好的动态仿真系统，是实现生产智能化必须解决的问题。 目前具备三维显示效果、实时在线能力的动态仿真系统国产化水平较低，如三菱PLC仿真软件TRN-BEG-C、Tecnomatix研发的EM-PLC等，由于使用成本高昂难以被广泛应用；国外一些学者研究指令集与梯形图的映射关系，基于状态模型和高级编程语言将PLC与交互式图形平台建立连接进行三维仿真，存在时空局限性、实现难度大[5-6]；另外通过组态软件可以搭建实时仿真系统，但多采用插入图元的方法设计仿真界面[7-8]，以图元代表各仿真部件，界面不够直观、人机交互性差。 以直角坐标机器人为例，提出了一种基于MCGS组态软件设计动态仿真系统的方法，能够进行实时在线仿真、脱机离线仿真、三维动画显示，弥补了现有仿真系统在交互界面以及功能性上的不足。 2 仿真系统分析2.1 系统功能性分析 所设计的系统仿真对象为直角坐标机器人[9]，它能够对工作区域内的物料进行搬运，安装在该直角坐标机器人上的机械手可在XY平面、XZ平面或者YZ平面实现平面移动，也能够在立体空间内移动，其结构，如图1所示。  图1 直角坐标机器人结构 该直角坐标机器人具有三种工作状态：手动、自动和回原点[8]。 手动工作状态：由控制面板上的上升/下降按钮、左移/右移按钮、前移/后移按钮、机械手开/合按钮来控制机械手的单方向运动以及对物料的抓取。 自动工作状态：按下控制面板上的启动按钮，机械手首先回原点并张开手爪，然后按照设定的运动轨迹移动到指定工位，最后抓取物料按设定轨迹移动到另一个工位，如此循环往复实现连续工作。 回原点：为使机械手在任何位置都能初始化，设定该直角坐标机器人的原点坐标，按下回原点按钮，使机械手回到原点参考位置。用上位机作为动态仿真平台对以上三种运动状态进行实时在线和离线仿真。 2.2 驱动方式分析 垂直方向、横向和前后方向的移动均由伺服电机驱动，移动部件是采用滚珠丝杠的直线运动单元，实现机械手精确定位；机械手末端执行器由气动驱动，以完成机械手的开合动作。 3 动态仿真系统硬件设计在直角坐标机器人的运动过程中，系统控制对象为伺服电机、电磁阀[10]；需要检测的参数为直线运动单元的极限位置（机械手的极限位置）、机械手开合状态；系统仿真对象主要是机械手的位置和手爪开合状态。 （1）系统采用欧姆龙CP1H-X40D作为控制模块。 （2）直线运动单元极限位置检测模块选用槽式光电开关。 （3）伺服电机及电磁阀构成动作执行模块，控制直线单元及手爪动作。 （4）安装有MCGS组态软件的PC机作为动态仿真平台（上位机），与控制模块等外围设备的通信采用USB转RS-232串口通讯方式。 动态仿真系统硬件组成，如图2所示。  图2 动态仿真系统硬件组成 4 动态仿真系统软件设计MCGS是由昆仑通态公司开发的一款工控组态软件，用来快速构建上位机系统[11]。该动态仿真系统即采用MCGS实现对直角坐标机器人的远程监控和控制，进行在线和离线两种模下的系统仿真，使得系统的运行状态更加直观。 直角坐标机器人动态仿真系统以MCGS为平台构建，其中仿真画面设计、仿真数据库建立、仿真程序编写以及设备连接等在MCGS组态环境内完成，仿真运行在MCGS运行环境内实现，设计动态仿真系统的具体过程，如图3所示。  图3 动态仿真系统设计流程 4.1 仿真画面设计 为使动态仿真画面更加真实形象，用户窗口内直线运动单元、机械手、电机等构件均以位图方式加载，每个构件对应一张位图，每张位图又对应一个仿真对象，而不是直接调用MCGS图形库内置的构件，因此在组态中显示的直角坐标机器人与样机结构基本一致。 仿真画面设计过程如下： （1）在三维软件中对仿真对象进行实体建模，并对各个独立运动部件截取图像保存为BMP位图格式，为使设计的仿真画面以最佳效果显示，应在截图过程中保证各运动部件的背景色为与仿真画面背景色相同。 （2）进入MCGS组态环境，新建工程—在用户窗口下新建用户窗口，这样便完成了上位机动态仿真系统的创建。 （3）设置仿真画面背景色，对仿真画面进行布局，确定动态显示窗口与各种按钮、指示灯的位置。 （4）在用户窗口下通过绘图工具箱装载预先截取的各运动部件位图，并将位图的背景色设置为透明，这些经设置后的构件位图组成了用户自定义对象元件库。按照视图的层叠关系将各运动部件位图放到正确的位置，组成完整的仿真画面，可以看到该仿真画面与三维实体建模画面一致。 4.2 建立仿真数据库 进行在线仿真时，动态仿真系统需要对现场的各种设备参数进行实时采集，仿真数据库作为数据传递的中介，主要负责现场数据采集和仿真系统数据调用。MCGS内置的实时数据库能够完成工程数据交换和数据处理，仿真对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义仿真对象的过程，PLC与MCGS的数据传输过程，如图4所示。  图4 PLC与MCGS数据传输 根据对系统控制要求分析确定仿真对象的数据类型，并将这些数据组成数据库，系统仿真对象与仿真数据库的映射关系，如表1所示。 表1 动态仿真数据库  仿真对象名称 数据名称 数据类型初始化 restart 开关型启动 on 开关型停止 off 开关型手动 manual 开关型自动 auto 开关型X方向水平位移 xh 数值型X方向垂直位移 xv 数值型Y方向水平位移 yh 数值型Y方向垂直位移 yv 数值型Z方向位移 z 数值型手动X正向 xf 开关型手动X反向 xb 开关型手动Y正向 yf 开关型手动Y反向 yb 开关型手动Z正向 zf 开关型手动Z反向 zb 开关型X方向到位 xon 事件型Y方向到位 yon 事件型Z方向到位 zon 事件型回到原点 origin 事件型手爪张开 open 开关型手爪闭合 close 开关型 4.3 编写仿真程序 仿真程序的编写在MCGS运行策略组态下完成，MCGS运行策略组态可以由用户编写脚本程序，这种脚本程序的编程语句类似Basic语言，通过对仿真对象的运动状态分析在运行策略/循环策略中编写脚本程序，完成对动态仿真系统的程序设计，其中动态仿真程序流程图，如图5所示。  图5 动态仿真程序流程图 为保证仿真画面中的构件位图与仿真对象各运动部件在时间上同步，实现实时在线仿真，在编写直线运动单元动态仿真程序时，应将PLC中设定的直线运动单元移动时间转换为该脚本程序的循环时间，具体转换方法如下： 电机脉冲数/电机目标频率=电机发脉冲时间=直线运动单元移动时间=脚本程序循环时间。另外由于MCGS动画基于二维场景，要在二维画面上显示出三维效果，需要进行坐标转换，并按照坐标转换关系计算各运动构件在二维场景中的水平、垂直方向位移。定义三维实体坐标系为3DCS（XYZ），仿真画面坐标系2DCS（X′Y′），两坐标系之间的变换关系，如图6所示。  图6 3DCS和2DCS坐标变换 同时仿真对象在3DCS下的位移应根据坐标变换转换到2DCS下的位移，3DCS下的位移在2DCS下分解为水平（X′轴）位移和垂直（Y′轴）位移，分别对应仿真数据库中的xh，xv，yh，yv。以直线运动单元在Y正方向位移为例：  式中：δy—3DCS下Y方向相对位移；yh0，yh1—2DCS下运动前后水平（X′轴）位移；yv0，yv1—2DCS下运动前后垂直（Y′轴）位移。 更普遍地，在2DCS下的位移矩阵表示为：  其中，3DCS下X、Y轴与2DCS下X′轴的夹角分别为α和β，仿真对象在 3DCS 下的位移分别为 δx、δy、δz。 另外直角坐标机器人的仿真对象为平移运动，如果仿真对象在3DCS的平移变换矩阵为T3D，在2DCS的平移变换矩阵为T2D，也可以定义算子T32，由T2D=T3D·T32，计算仿真对象在2DCS的位移。 MCGS内部为用户提供了一些常用的数学函数，在编写仿真程序时可在表达式中或用户脚本程序中直接调用这些函数，需要注意的是在仿真脚本程序中角度用弧度表达，最终编写的部分系统仿真程序（略）。 4.4 设备连接 直角坐标机器人动态仿真系统实现实时仿真、硬件在环，需要将上位机仿真系统与下位机控制模块建立通信，并使监控画面根据现场实际情况动态显示。MCGS为用户提供了工控领域常用的设备驱动程序，其中包括可以与PLC通信的通用串口设备驱动以及与不同型号PLC通信的协议驱动，而无需用户对驱动程序进行二次开发。进行在线仿真时，直角坐标机器人动态仿真系统的通信对象为欧姆龙CP1H-X40D，HostLink作为欧姆龙PLC的专有协议，通过HostLink协议通过计算机串行口与欧姆龙PLC建立通信。 首先在MCGS设备窗口中加载通用串口父设备驱动，在串口属性设置中设置通信参数，如表2所示。 表2 通信参数设置  设置 参数最小采集周期 1000ms串口端口号 COM1波特率 19200数据位数 8停止位位数 1奇偶校验位 E（偶校验） 利用编程软件CX-Programmer将CP1H-X40D的通信参数也设置成如表2所示。保证PLC控制模块与上位机仿真平台通信属性一致。 在通用串口父设备下加载欧姆龙HostLink子设备驱动，并设置HostLink设备属性，建立仿真平台与CP1H-X40D的通道连接，如表3所示。 表3 仿真平台与控制模块通道连接  数据对象 PLC通道 读写类型启动 IR0.00只写停止 IR0.01只写手动 IR0.02只写自动 IR0.03只写初始化 IR0.04只写X方向到位 IR0.05只读Y方向到位 IR0.06只读Z方向到位 IR0.07只读手动X正向 IR1.00只写手动X反向 IR1.01只写手动Y正向 IR1.02只写手动Y反向 IR1.03只写手动Z正向 IR1.04只写手动Z反向 IR1.05只写手爪张开 IR1.06只写手爪闭合 IR1.07只写原点指示 IR101.00只读 最后，使用CP1H-X40D与计算机连接专用的RS232C电缆，将控制模块通过编程口与上位机动态仿真平台串口（COM1口）连接，部分PC没有串口则要用RS232转USB与上位机连接，进行串行通信。 最终设计的直角坐标机器人动态仿真系统，如图7所示。 5 系统运行调试仿真系统与控制模块建立通信，然后将控制梯形图程序下载到欧姆龙PLC，编译无误后运行；在MCGS运行环境下运行动态仿真系统，动态仿真平台与控制模块通信良好，直角坐标机器人在人机交互界面的动态显示实时、准确，现场调试，如图8所示。选取直角坐标机器人两个运动状态的仿真实验结果，如图9、图10所示。 图7 直角坐标机器人动态仿真系统 图8 现场调试 图9 下降抓取状态仿真结果Fig.9The Simulation Result of the Status of Dropping and Grabbing 图10 上升提起状态仿真结果 6 结语实践表明，所设计的动态仿真系统将MCGS组态与PLC控制技术、三维建模结合，对直角坐标机器人进行动态仿真，其仿真实时性、准确性较好。系统以加载位图的方式设计动态仿真画面，使得系统运行和控制状态更为直观，仿真系统的可靠性、人机交互性有所改善；采用这种实际控制器和虚拟对象组成的硬件在回路仿真系统，将受控对象的生产设计与控制器开发同步，缩短了产品开发周期、降低开发风险和成本。 参考文献 ［1］谢小成，姜莉莉，许玉枝.面向PLC自动控制生产过程的实时仿真系统设计［J］.中北大学学报：自然科学版，2012，33（3）：282-287.（Xie Xiao-cheng，Jiang Li-li，Xu Yu-zhi.Design of real-time simulation system for the production process of PLC automatic control［J］.Journal of NorthUniversityofChina：NaturalScienceEdition，2012，33（3）：282-287.） ［2］韩金，陈国华，张爱军.基于3D模型并行处理的机器人半实物仿真平台［J］.计算机集成制造系统，2016，22（1）：281-286.（Han Jin，Chen Guo-hua，Zhang Ai-jun.Real-time semi-physical motion simulation of robot based on 3D model parallel processing［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2016，22（1）：281-286.） ［3］熊光楞，王昕.仿真技术在制造业中的应用与发展［J］.系统仿真学报，1999，11（3）：145-151.（Xiong Guan-leng，Wang Xin.Application and development of simulation technology in manufacturing［J］.Journal of System Simulation，1999，11（3）：145-151.） ［4］丁金华，李明颖，王德权.虚实结合的机电设备控制仿真平台［J］.实验技术与管理，2015，32（2）：119-122.（Ding Jin-hua，Li Ming-ying，Wang De-quan.Control simulation platform for mechanical and electrical equipment with virtuality and reality combination［J］.Experimental Technology and Management，2015，32（2）：119-122.） ［5］Park Sang-chul，Park Chang-mok，Wang Gi-nam.A PLC programming environment based on a virtual plant［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，39（11-12）：1262-1270. ［6］Park Hyeong-tae，Wang Gi-nam，Park Sang-chul.PLC symbol naming rule for auto generation of Plant model in PLC simulation［J］.Journal of the Korea Society for Simulation，2008，17（4）：1-9. ［7］侯荣国，许云理，冯延森.基于MCGS组态软件的自动化立体仓库控制系统的开发［J］.机械设计与制造，2012（1）：77-78.（Hou Rong-guo，Xu Yun-li，Feng Yan-sen.Development of AS/RS control system based on MCGS configuration software［J］.Machinery Design&Manufacture，2012（1）：77-78.） ［8］邢满荣，张鹏，王晓冬.基于PLC和MCGS组态的机械手控制系统的设计［J］.制造业自动化，2015（7）：11-13+23.（Xing Man-rong，Zhang Peng，Wang Xiao-dong.The design of the manipulator control system based on PLC and MCGS［J］.Manufacturing Automation，2015（7）：11-13+23.） ［9］李刚，周文宝.直角坐标机器人简述及其应用介绍［J］.伺服控制，2008（9）：72-75.（Li Gang，Zhou Wen-bao.The rectangular robot and its application［J］.Servo Control，2008（9）：72-75.） ［10］袁清珂，赵冲，林立仁.基于PLC气动式机械手控制系统的设计与开发［J］.仪表技术与传感器，2015（11）：59-61.（Yuan Qing-ke，Zhao Chong，Lin Li-ren.Design and development of control system for pneumatic manipulator based on PLC［J］.Instrument Technique and Sensor，2015（11）：59-61.） ［11］邹伟，杨平，徐德.基于MCGS组态软件的上位机控制系统设计［J］.制造业自动化，2008，30（12）：103-108.（Zou Wei，Yang Ping，Xu De.Host computer control system design based on MCGS configuration software［J］.Manufacturing Automation，2008，30（12）：103-108.） Development of 3D Dynamic Simulation System Based on MCGS SUN Li-xin，XU Liang-jun，YANG Dong-yu，DONG Yu-zhao Abstract：To improve the real-time and human-computer interaction of dynamic simulation system，a design method of 3D dynamic simulation system is proposed based on the combination of PLC control technology，3D modeling technology and MCGS configuration software.The PLC is used as the controller，and MCGS configuration software as the dynamic simulation platform.To establish the 3D model，the motion state of the simulation object is analyzed，and the 3D simulation picture is designed by means of composing bitmaps and transforming coordinate.Then the simulation action of the virtual control object is defined by writing simulation programs.The communication of MCGS configuration software and PLC controller is established to simulate with HIL（Hardware-in-the-loop）.The results show that the developed 3D dynamic simulation system has strong third dimension，good real-time interaction and reliability. Key Words：3D Dynamic Simulation System；Configuration Software；Human-computer Interaction；Cartesian Coordinate Robot 中图分类号：TP23；TP27；TP29；TP391 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）10-0159-05 来稿日期：2017-04-08 作者简介：孙立新，（1964-），男，河北承德人，博士研究生，教授，主要研究方向：机电一体化、智能机器人技术及微细加工检测技术；徐良君，（1991-），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要研究方向：机电一体化、智能机器人技术 |
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