面向智能制造加工的虚拟调试系统技术方案

面向智能制造加工的虚拟调试系统，主要由工控设备、PC客户端、Redis数据库模块和仿真模块组成，工控设备包括工业机器人系统、PLC、数控车床和加工中心控制器，PC客户端包括数据采集模块和交互界面模块。PC客户端基于OSGI.NET插件框架，将每个设备驱动做成插件，实时采集工控设备的信号和数据，并将数据存入Redis数据库中，PLC与数控设备通过数据库进行信号交互，仿真模块通过Python程序读取数据库数据来驱动机器人及机床模型进行加工，同时模型的状态信息也存入Redis数据库，PC客户端实时读取Redis数据库中模型状态信息并且写入PLC，使PLC中条件满足并调度机器人、数控车床及加工中心去执行任务，实现了虚实融合，能够验证智能制造加工方案的可行性。

Virtual debugging system for intelligent manufacturing

【技术实现步骤摘要】
面向智能制造加工的虚拟调试系统
本专利技术涉及一种智能制造加工的虚拟调试系统。
技术介绍
21世纪以来，物联网、云计算、大数据、移动通信、人工智能等新技术在制造业广泛应用，制造系统集成式创新不断发展，形成新一轮工业革命的重要驱动力。面对新一轮工业革命，世界各国都在出台制造业转型战略，美国提出“先进制造业伙伴计划”、德国提出“工业4.0战略计划”，都将智能制造作为本国构建制造业竞争优势的关键举措。数字孪生(DigitalTwin)，作为实现物理世界与信息世界交互与融合的有效方法，是指通过数字技术来复制物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对整个工厂的生产过程进行虚拟仿真，从而提高制造企业产品研发、制造的生产效率。数字孪生正在成为智能制造新趋势，已经在2017、2018和2019年连续三年被世界领先的科技研究集团Gartner评为年度十大战略性技术，预测在不久的将来将有数十亿台设备拥有数字双胞胎，并且到2020年，估计将有210亿个连接的传感器和端点投入使用。虚拟调试(VirtualCommissioning)是数字孪生最好的应用，虚拟调试技术是在虚拟环境中调试控制设备的代码，然后通过虚拟仿真来测试和验证系统方案的可行性，再将调试代码应用到真实的场景中。产品设计过程很难预测到生产和使用过程会不会出现问题，而虚拟调试带来许多好处之一就是验证产品的可行性。虚拟调试允许设计者在产品生产之前进行任何修改和优化，而不会造成硬件资源的浪费。而且这样可以节省时间，因为用户在测试过程中可以修复错误，及时对自动化系统进行编程改进。数字模型的使用可以降低工厂更改流程的风险，使企业在生产方面取得了显著的改进。例如汽车制造工厂在制造与装配产品时，可以使用虚拟调试重新编程数百台机器人，而不需要花费大量时间在现场停机进行调试。目前，工业界大多都使用三维虚拟调试软件进行纯数字仿真，或者通过OPC协议采集并结合三维仿真软件进行虚拟调试，单独开发PC客户端进行虚实交互的较少。廖胜波、李颖晴、丘平荣等提出了一种基于虚拟仿真调试机的自动化生产线的仿真调试方法(廖胜波、李颖晴、丘平荣等.基于虚拟仿真调试机的自动化生产线的仿真调试方法:中国，107490982A[P].2017-12-19)，该系统采集PLC和机器人数据并传送到仿真软件中驱动模型来虚拟调试，但是并没有设计良好交互性能的PC客户端，操作繁琐不便，也没有仿真软件向设备的反馈，不具有交互性；谭胜龙、丁亮、赵福臣等提出了一种基于数字化工厂的自动化车间虚拟调试方法(谭胜龙、丁亮、赵福臣等.一种基于数字化工厂的自动化车间虚拟调试方法：中国，108121216A[P].2018-06-05)，给出了一种纯数字化的虚拟调试，未采集真实工控设备数据进行虚实融合，现场的一些真实情况难以模拟和测试；陈磊、乐杨等提出一种在虚拟调试系统中指定信号仿真调试方法(陈磊、乐杨等提出一种在虚拟调试系统中指定信号仿真调试方法：中国，108415268A[P].2018-11-30),使用OPC协议采集数据进行虚实交互，保证不了数据传输的正确性和稳定性。王德权提出了一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法及系统(王德权.提出了一种基于数字孪生的智能制造工厂虚拟调试和虚拟监控方法及系统：中国，108919765A[P].2018-11-30),给出了一种基于数字孪生的虚拟调试，但是只局限于成熟的数字孪生的三维软件中，三维软件需要能够配置设备的输入输出参数，对于不能够配置设备参数的三维软件就不适用了，而本系统通过Python脚本加上Redis数据库，可以实现与任意三维软件进行通讯并虚拟调试，达到了通用的效果。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的上述缺点，提出一种面向智能制造加工的虚拟调试系统。首先该系统PC客户端基于OSGI.NET插件进行开发，将每个设备驱动做成插件，每个插件都能够独立的设计数据采集和交互界面模块，实现了设备插件之间的解耦，提高了PC客户端的功能扩展性，降低了后期维护的复杂性；数据采集模块使用工业以太网进行通信，提高了数据采集的速度及正确性；交互界面的设计非常简洁并且易操作，能够方便的添加、修改和删除设备的I/O信号，同时配置信息会写入配置文件，PC端重新打开时能够从配置文件中进行信号匹配，避免了信号的重复添加；采用了Redis高性能数据库对虚实设备数据进行缓存，完成了虚实设备信号交互，同时也保证了数据传输的实时性。本专利技术为解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种面向智能制造加工的虚拟调试系统，PC客户端安装在Windows电脑上，通过PC客户端中基于OSGI.NET插件框架的设备驱动来采集多个工控设备的数据并且存入Redis数据库，仿真模块通过Python脚本程序采集Redis数据库中数据来驱动机器人和数控机床的模型，同时也将一些模型状态信息写入Redis数据库并反馈给PLC，PLC再调度机器人、数控车床及加工中心程序运行，实现了对PLC逻辑的检测并在虚拟环境中进行智能制造加工；所述的面向智能制造加工的虚拟调试系统，包括工业机器人系统、PLC、数控车床控制器、加工中心控制器、数据采集模块、交互界面模块、Redis数据库模块和仿真模块，具体如下：工业机器人系统与PLC和PC端的数据采集模块连接，包括机器人控制器和机器人示教盒；PLC通过MudbusTCP协议向机器人控制器输入启动、运行及停止I/O信号，同时机器人控制器也输出I/O信号给PLC进行状态反馈；机器人控制器通过MudbusTCP协议发送关节数据给PC端的数据采集模块，数据采集模块再对关节数据进行解析；机器人示教盒用于启动机器人程序和查看机器人数据；PLC与工业机器人系统和PC端数据采集模块连接，PLC通过MudbusTCP协议向机器人控制器输入启动、运行及停止I/O信号，同时机器人控制器也输出I/O信号给PLC进行状态反馈；数据采集模块通过TCP/IP协议向PLC输入数控车床控制器、加工中心控制器及虚拟设备的I/O信号，PLC根据I/O信号再执行梯形图程序，PLC同时也输出I/O信号让PC端的数据采集模块进行采集，采集完成之后再进行数据解析；数控车床控制器与PC端数据采集模块连接，PC端的数据采集模块通过TCP/IP协议向数控车床控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是数控车床加工的启动信号，数控车床控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再执行相应的梯形图程序；加工中心控制器与PC端数据采集模块连接，PC端的数据采集模块通过TCP/IP协议向加工中心控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是加工中心加工的启动信号，加工中心控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再执行相应的梯形图程序；数据采集模块与工业机器人系统、PLC、数控车床控制器、加工中心控制器、交互界面模块和Redis数据库模块连接；机器人控制器通过MudbusTCP协议发送关节数据给PC端的数据采集模块，数据采集模块再对关节数据进行解析；数据采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向智能制造加工的虚拟调试系统，PC客户端安装在Windows电脑上，通过PC客户端中基于OSGI.NET插件框架的设备驱动来采集多个工控设备的数据并且存入Redis数据库，仿真模块通过Python脚本程序采集Redis数据库中数据来驱动机器人和数控机床的模型，同时也将一些模型状态信息写入Redis数据库并反馈给PLC，PLC再调度机器人、数控车床及加工中心程序运行，实现了对PLC逻辑的检测并在虚拟环境中进行智能制造加工；所述的面向智能制造加工的虚拟调试系统，包括工业机器人系统、PLC、数控车床控制器、加工中心控制器、数据采集模块、交互界面模块、Redis数据库模块和仿真模块，具体如下：/n工业机器人系统与PLC和PC端的数据采集模块连接，包括机器人控制器和机器人示教盒；PLC通过Mudbus TCP协议向机器人控制器输入启动、运行及停止I/O信号，同时机器人控制器也输出I/O信号给PLC进行状态反馈；机器人控制器通过Mudbus TCP协议发送关节数据给PC端的数据采集模块，数据采集模块再对关节数据进行解析；机器人示教盒用于启动机器人程序和查看机器人数据；/nPLC与工业机器人系统和PC端数据采集模块连接，PLC通过Mudbus TCP协议向机器人控制器输入启动、运行及停止I/O信号，同时机器人控制器也输出I/O信号给PLC进行状态反馈；数据采集模块通过TCP/IP协议向PLC输入数控车床控制器、加工中心控制器及虚拟设备的I/O信号，PLC根据I/O信号再执行梯形图程序，PLC同时也输出I/O信号让PC端的数据采集模块进行采集，采集完成之后再进行数据解析；/n数控车床控制器与PC端数据采集模块连接，PC端的数据采集模块通过TCP/IP协议向数控车床控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是数控车床加工的启动信号，数控车床控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再执行相应的梯形图程序；/n加工中心控制器与PC端数据采集模块连接，PC端的数据采集模块通过TCP/IP协议向加工中心控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是加工中心加工的启动信号，加工中心控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再执行相应的梯形图程序；/n数据采集模块与工业机器人系统、PLC、数控车床控制器、加工中心控制器、交互界面模块和Redis数据库模块连接；机器人控制器通过Mudbus TCP协议发送关节数据给PC端的数据采集模块，数据采集模块再对关节数据进行解析；数据采集模块通过TCP/IP协议向PLC输入数控车床控制器、加工中心控制器及虚拟设备的I/O信号，PLC根据I/O信号再执行梯形图程序，PLC同时也输出I/O信号让PC端的数据采集模块进行采集，采集完成之后再进行数据解析；数据采集模块通过TCP/IP协议向数控车床控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是数控车床加工的启动信号，数控车床控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再执行相应的梯形图程序；数据采集模块通过TCP/IP协议向加工中心控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是加工中心加工的启动信号，加工中心控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再执行相应的梯形图程序；数据采集模块从交互界面模块输入配置文件中工控设备的IP地址、信号的虚拟键名、I/O地址和信号名，根据IP地址和I/O地址信息来实时采集关节数据及I/O变量数据，一个线程负责将数据写入Redis数据库模块，另一个线程将数据读出并输出到交互界面模块，交互界面上会实时显示数据，数据采集模块停止采集时，在交互界面的模块界面上修改设备IP地址、虚拟键名、I/O地址和信号名，这些修改同步到配置文件中，数据采集模块再次启动时重新匹配信息进行采集；数据采集模块通过Redis序列化通信协议将工控设备的关节数据及I/O信号序列化后存储到Redis数据库中，同时也读取Redis数据库中虚拟设备的状态信息反序列化之后写入到工控设备中；/n交互界面模块与数据采集模块连接，其输入为数据采集模块从Redis数据库实时读取的关节数据及I/O变量数据，接收数据后同步显示到交互界面上，交互界面模块上创建和修改的IP地址、虚拟键名、I/O地址和信号名并写入配置文件，数据采集模块启动后会读取配置文件，然后更新信号列表进行数据采集；/nRedis数据库模块与数据采集模块和仿真模块连接，数据采集模块通过Redis序列化通信协议将工控设备的关节数据及I/O信号序列化后存储到Redis数据库中，同时也读取Redis数据库中虚拟设备的状态信息反序列化之后写入到工控设备中；仿真模块通过Python脚本程序将机器人及数控机床模型的状态信号存...

【技术特征摘要】
1.一种面向智能制造加工的虚拟调试系统，PC客户端安装在Windows电脑上，通过PC客户端中基于OSGI.NET插件框架的设备驱动来采集多个工控设备的数据并且存入Redis数据库，仿真模块通过Python脚本程序采集Redis数据库中数据来驱动机器人和数控机床的模型，同时也将一些模型状态信息写入Redis数据库并反馈给PLC，PLC再调度机器人、数控车床及加工中心程序运行，实现了对PLC逻辑的检测并在虚拟环境中进行智能制造加工；所述的面向智能制造加工的虚拟调试系统，包括工业机器人系统、PLC、数控车床控制器、加工中心控制器、数据采集模块、交互界面模块、Redis数据库模块和仿真模块，具体如下：
工业机器人系统与PLC和PC端的数据采集模块连接，包括机器人控制器和机器人示教盒；PLC通过MudbusTCP协议向机器人控制器输入启动、运行及停止I/O信号，同时机器人控制器也输出I/O信号给PLC进行状态反馈；机器人控制器通过MudbusTCP协议发送关节数据给PC端的数据采集模块，数据采集模块再对关节数据进行解析；机器人示教盒用于启动机器人程序和查看机器人数据；
PLC与工业机器人系统和PC端数据采集模块连接，PLC通过MudbusTCP协议向机器人控制器输入启动、运行及停止I/O信号，同时机器人控制器也输出I/O信号给PLC进行状态反馈；数据采集模块通过TCP/IP协议向PLC输入数控车床控制器、加工中心控制器及虚拟设备的I/O信号，PLC根据I/O信号再执行梯形图程序，PLC同时也输出I/O信号让PC端的数据采集模块进行采集，采集完成之后再进行数据解析；
数控车床控制器与PC端数据采集模块连接，PC端的数据采集模块通过TCP/IP协议向数控车床控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是数控车床加工的启动信号，数控车床控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再执行相应的梯形图程序；
加工中心控制器与PC端数据采集模块连接，PC端的数据采集模块通过TCP/IP协议向加工中心控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是加工中心加工的启动信号，加工中心控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再执行相应的梯形图程序；
数据采集模块与工业机器人系统、PLC、数控车床控制器、加工中心控制器、交互界面模块和Redis数据库模块连接；机器人控制器通过MudbusTCP协议发送关节数据给PC端的数据采集模块，数据采集模块再对关节数据进行解析；数据采集模块通过TCP/IP协议向PLC输入数控车床控制器、加工中心控制器及虚拟设备的I/O信号，PLC根据I/O信号再执行梯形图程序，PLC同时也输出I/O信号让PC端的数据采集模块进行采集，采集完成之后再进行数据解析；数据采集模块通过TCP/IP协议向数控车床控制器输入数据库中存储的PLC的I/O信号，主要是数控车床加工的启动信号，数控车床控制器会输出加工完成的I/O信号给PLC，PLC写入I/O信号之后再...

【专利技术属性】
技术研发人员：禹鑫燚，陆文祥，欧林林，柏继华，殷慧武，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33