基于TIA与TECNOMATIX的联合虚拟调试研究

402247）（东风小康汽车有限公司，重庆

2020-02-20 - 成正勇黎亮李小灿杨星政

TIA TECNOMATIX摘要：为了提高汽车焊装车间现场程序调试效率，采用与联合虚拟调试

TECNOMATIX焊装虚拟调试环境搭建、TIA方法，以后车体自动化焊接工位为例，从组态与编4 PC，不需要复杂的连接程、软件配置、仿真调试个方面进行了探究及论述，此种方法只需一台TIA TECNOMATIX的联合调试。实践证明，TIA TECNOMATIX与操作设置，即可实现与与联合虚拟调试可有效缩短现场调试周期，降低调试成本。

TIA Tecnomatix PLC关键词：虚拟调试仿真中图分类号：U466；U468.2 文献标识码：B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190389 1 前言

20%～

在汽车产品开发周期中，产品设计约占

30% 40% ～60%

，生产准备约占，生产制造约占

20%～30%，可

见生产准备占用周期最长，压缩生产准备时间可以极大缩短产品开发周期，提前上市抢占市场。虚拟调试技术是创建出物理模型对应的虚拟模型，通过连接虚拟模型和自动化设备，

PLC

在虚拟环境中调试程序，对生产系统的控制情况进行测试和验证，较少生产准备时间，其和传统调试不同的是，虚拟调试可以在现场设备安装之前，直接在虚拟环境下对机械设计、工艺仿真、电气调试进行整合，让设备在未安装之前已经完成调试，从而提高现场程序的调试效率，降低调试

风险[1-2]

。

2 软件平台

(Totally Integrated Automation Portal，tia)

博途是第一个采用将工程组态和项目环境相结合的自动化软件，基于此平台，用户能够通过高效配置快

速、直观地完成自动化系统的开发与调试[3]

。

PLCSIM Advanced TIA

，允许在使用进行组态和工程设计期间进行全面模拟功能，而无需物理

S7-1500 ET 200SP

连接或硬件。它支持生成虚拟

S7-1500 ET 200SP

控制器，以模拟或控制器测试其功能，同时也支持将虚拟控制器连接到

TECNOMATIX、SIMIT NX Mechatronics Concept

或

Designer

等仿真软件，在系统或机器环境中对程序

进行全面验证[4]

。

Tecnomatix

是一套综合性数字化制造解决方案组合，能够对制造或将构思和原材料转化为实际产品的流程进行数字化改造，涉及与制造工程相关的所有学科和技术领域，包括工艺设计、工厂

布局规划与设计、工艺过程仿真与验证以及制造执行系统等[5]

。

3 虚拟调试环境搭建

虚拟调试环境的搭建流程如图所示，主要由5

部分组成。

联合虚拟调试

TIA Tecnomatix

与联合调试就是首先在

Tecnomatix Process Designer

的软件模块中完成工

Tecnomatix Process

艺规划与布局设计，在的

Simulate CEE

软件模块中完成工艺配置仿真和配

TIA

置与仿真，在博途中完成组态与编程，应用

S7-PLCSIM Advance PLC，实现TIA

创建虚拟博途

Tecnomatix

与的连接，进行虚拟调试。

3.1 工艺规划与三维布局

Process Designer Tecnomatix

是的规划组件，可以完成工艺规划设计与三维布局，并且支持进行

Process

二次开发，输出工艺文件与报告等。在

Designer

中完成工艺规划设计与三维布局，主要过

程如图所示。

零件

模型

Process Designer

在中打开项目，创建规划结构，导入并创建需要的产品、制造特征、资源等数据，定义其属性与关系。在规划操作树上完成工位结构、工步、工艺顺序、零件焊点分配、属性定义等操作，在规划资源树上完成资源关联与分类，在

Graphic Viewer

窗口中完成资源的三维布局。完成

3 2台

后车体补焊工位的三维布局如图所示，包含

焊接机器人，台搬运机器人。

3.2 工艺配置与仿真

Process Simulate Tecnomatix

是的仿真组件，采用交互式计算机图形技术产生近似真实的仿真效果，其功能按模块进行分类，能够完成从工厂至线

Process

体和工位的设计、分析、仿真和优化。在

Simulate 4

中工艺仿真的主要过程如图所示。

Process Designer Robcadstudy

在中的仿真节点

式（Standard Mode）加载数据到Pro⁃

以标准仿真模

cess Simulate Process Simulate

仿真环境中。由于在中的仿真主要是设备运动学仿真，需要首先对运动的设备进行机构定义。定义完成后对制造特征（焊点）、关联关系等进行配置处理，选择焊钳和机器人型号，对工艺方案进行仿真验证与优化，然后编辑路径，确定资源最终位置，再对路径进行优化，验证

机器人干涉区。工艺仿真完成后需要对数据进行保存，防止切换到线性仿真模式数据丢失。

3.3 CEE配置与仿真

Process Simulate 2

在中仿真有种模式，一种是

标准仿真模式（Standard Mode）下基于顺序的仿真， Line Simulation Mode）下基

一种是线性仿真模式（于事件的仿真。基于顺序的仿真过程是依靠定义的时间顺序触发操作执行，而基于事件的仿真过程则是依靠特定事件、信号或状态变化触发操作执行。基于事件的仿真与实际工业现场控制更为

一致，能够周期性循环不断的仿真。CEE

作为事

件仿真的一个控制中心，在仿真的每个周期，CEE PLC CEE

采集和评估信号以确定仿真流程，因为具有循环运行特性，当点击开始仿真时仿真将会

连续无限的模拟运行直到停止仿真。CEE

仿真配

置流程如图所示。3.3.1

物料流定义物料流是仿真过程中根据定义的操作顺序显

示与隐藏零件三维模型。在线性仿真模式（Line Simulation Mode）初次加载时，关联的零件是不可Appearance（原始零件的

见的，需要通过手动创建复制件）才能显示。仿真过程中需要通过设置物

Appearance

料流实现零件的正确显示与隐藏，模拟真实的生产过程。

3.3.2

传感器定义

Process Simulate

在中传感器能够检测到接近

或进入检测区的虚拟零件和资源，例如干涉检

测和距离检测。可以创建的传感器类型一共有种，具体如下。

a.光电传感器（photoelectric Sensor），用于检测被检测对象是否进入设定的光线区域；

接近传感器（Proximity Sensor），用于检测被

b.检测对象是否进入设定的检测距离；

Joint Value Sensor），用于检

c.关节值传感器（测设备的关节位置；

Joint Distance Sensor），用

d.关节距离传感器（于检测设备关节在仿真过程中的实时数值；

e.属性传感器（property Sensor），用于检测仿真过程中零件的属性，如条码、温度、颜色、重量和类型等。

其中前两种传感器应用最多。在定义传感器时需要注意。

a.定义接近传感器需要选择一个传感器实体； b.定义光电传感器不需要选择传感器实体； c.定义关节值和关节距离传感器需要选择定义的设备；

d.定义属性传感器需要先定义属性和应用属

性映射工具（Property Projector）分配属性给零件。3.3.3

逻辑块定义逻辑块是定义有输入/输出和内部逻辑计算能力的逻辑设备，其通过输入/输出信号与PLC

通信，从而实现特定的运动。逻辑块的输入/输出信号与PLC输入/输出信号的关系如图6

所示，逻辑块的

PLC

输入信号是的输出信号，逻辑块的输出信号

PLC

是的输入信号。在定义逻辑块之前，必须先激活（Set Modeling Scope）相应的设备，例如后车体补焊工位夹具的逻7

辑块定义如图所示。

3.3.4

机器人设置

Robotics

a.程序设置，在菜单中选择机器人程

序库（Robotic Program Inventory），创建机器人程序，

首先把创建的程序加载到程序编辑中，然后添加程序中包含的机器人路径操作和设置路径操作的

编码，最后把程序设置为默认程序。

Graphic Viewer

b.信号创建，在窗口中选择机

Robotic Signals Robotics

器人，右键选择工具或在菜

Robotic Signals 工具，Robotic Signals

单中选择窗口可以创建输入/输出信号、创建系统默认信号、删除信号、导入/导出信号。创建完成的系统默认机器

人信号如图所示。3.3.5

信号定义信号是虚拟调试中很重要的一个部分，PLC

与Process Simulate

中的模型信息交互主要通过信号实现。信号主要包括机器人信号、设备信号、传感器信号、按钮信号等，机器人信号和设备信号与PLC 6

信号之间的关系如图所示。

Signal Viewer

信号预览窗口中的信号列表展9

示了所有创建的信号，如图所示。在此可以新建/删除信号、重命名信号、改变信号类型、设置信PLC。在设置信号地

号地址和设置信号是否连接

Process Simulate I/O

址的时候需要注意中的信号地TIA PLC输入/输出I/O

址与博途中的对应关系，且6所示的输入/输出关系。

满足图

3.4 博途组态与编程

博途组态与编程的流程如图所示。

TIA

在进行博途硬件组态与编程之前需要先

PLC

建立一个新项目。在新项目中进行组态，即

完成对硬件、网络、设备等进行参数设置。TIA

博

S7-1200、S7-1500，S7-300/400 PLC

途支持对系列

S7-1500 PLC

进行高效组态，本文基于系列进行组

Process Simulate

态设计。组态完成后，根据中的信

PLC的输入/输出变量。号控制要求定义

TIA 2

博途编程方法有种，一种是线性化编程，即将整个程序全部写在主程序中，实现自动化控制任务；另一种是结构化编程，即将复杂自动化任务分割成与工艺功能相对应的可重复使用的子

任务进行编程。TIA

博途标准包支持五种编程语

LAD、函数块图FBD、语句列表STL、

言：梯形逻辑

SCL、GRAPH

顺序图形语言[3]。后

结构化控制语言车体补焊工位由于控制点相对较少，程序复杂度不高，适合采用线性化编程方式，效率更高。梯形

LAD

逻辑编程语言由于与电气图相似，易理解，调试方便，车间现场大量采用。选择线性编程方式

LAD

和梯形图编程语言编写一套后车体补焊工位

11 TIA Pro⁃

控制程序，部分如图所示，用于博途与

cess Simulate

联合虚拟调试研究。

3.5 S7-PLCSIM Advanced配置

S7-PLCSIM Advanced V2.0

启动后，软件配置

12 Online Access 2种

界面如图所示。在中显示有

1 PLCSIM（通过软件），第2

连接方式，第种是种是

PLCSIM Virtual Ethernet Adapter（通 TCP/IP），其

过

2 TCP/IP TCP/IP

中第种又可以设置为本地和分布

2 1

种。本文是探究软件联合虚拟调试，选择第

Virtual Time Scaling 1，Instance

种，默认的值为

Name ctrl+空格键选择已存在的PLC_1（TIA

中按博

PLC_1 PLC[4]。

途中设置），点击开始，即可运行虚拟

4 联合调试

13 TIA PLCSIM

如图所示，联合调试由博途与

通信、PLCSIM Process Simulate TIA

与通信，实现用

PLC Process Simulate

博途中编制的程序控制中的仿真模型运动，完成调试。

S7-PLCSIM Advanced V2.0

配置完并启动虚拟

PLC_1，在 TIA V15

博途中点击下载到设备，在下载预览中选择装载，然后选择完成，完成加载程序

PLC_1 14

到虚拟中，程序装载过程如图所示。在

TIA

博途中选择转至在线，在程序块窗口中选择启用监视。

Process Simulate Options

在中选择设置工具，

PLC Plc-external Con⁃

点击选项卡，首先依次选择

nection-connection Settings，打开连接设置窗口，如15 PLCSIM

图所示。然后在添加连接方式中选择

Advanced（process Simulate 13

及以上版本），打开其

Name），选择PLC

设置窗口，设置连接名称（实例

（Instance Name），点击完成。完成连接创建后，选Validate

择验证连接是否有效。

Process

上述连接设置全部配置完成后，在

Simulate Sequence Editor

中的启动仿真，全部设备

TIA

处于静止状态，等待开始信号，在博途中强制给相关开始信号赋值，触发开始信号，仿真开始运行，然后调试程序。调试过程中如发现程序问题

TIA

可以立刻在博途中调整与修改，然后重新连接调试。

Process Simulate PLCSIM

外部连接除了采用

Advanced OPC Server、simulation Unit

，还支持采用

Connection OPC Server

方式连接，其中不仅可以连

PLC，还可以连接真实硬件PLC，支持西门

接虚拟

PLC连接，PLC

子及其他品牌选型上更具有柔性，但信号交互时间上具有延迟性。

5 结论

S7-PLCSIM Advanced TIA借助工具实现博途Tecnomatix PLC与的联合虚拟调试，不需要真实的

PLC

硬件，即可完成程序调试和生产线仿真验

PC证。此种方式只需一台即可完成联合调试工作，不需要复杂的设置。运用联合虚拟调试相较于基于传统可编程控制器的调试具有以下优点.

a.缩短了现场调试周期，减少停产时间；

PLC

b.更好的程序和机器人轨迹质量，并可重复测试；

c.在室内即可完成调试，对现场工程师的技能要求降低；

d.降低了调试成本； e.在虚拟环境中测试程序，验证干涉区，降低碰撞事故与风险。

参考文献：

[1] 西门子数字化工业软件.在产品推出前虚拟调试自动

[EB/OL].[2019- 5- 6].https://www.plm.automation.化系统

siemens.com/global/zh/products/tecnomatix/virtual- com⁃ missioning.html. [2] 张佳俊, 朱旭峰, 于斌, 等.

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北京：中国学术期刊电子出版社, 2019：1861-1864.

[3] 崔坚, 张春, 赵欣. TIA博途软件-STEP7 V11

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[4] Siemens Industry Online Support. Erste Schritte mit S7PLCSIM Advanced und Simulationstabellen[eb/ol]. [2018- 12- 06].https://support.industry.siemens.com/cs/ document/109759047/erste- schritte- mit- s7- plcsim- ad⁃ vanced-und-simulationstabellen?dti=0&lc=de-ww.

[5] 高建超, 常楠楠. Tecnomatix

基于的机器人滚边虚拟调试研究与应用[J]. 制造业自动化, 2019, 41(6): 80-81.