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作品名称：智能无人罐装设备
学校名称：山西晋中理工学院
参赛队伍：复兴队
队伍编号：216520
参赛学生：马俊杰范高新王超
指导老师：张鑫
投票日期：2025年10月10日 00:00->2025年12月15日 00:00
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详细说明

摘要

针对传统工业灌装设备调试中物理硬件依赖度高、成本大、安全性不足等问题，本文提出一种基于数字孪生技术的 S7-1500 PLC 虚拟调试系统架构。结合西门子 Tecnomatix Process Simulate 16 仿真平台，构建包含托盘投放、发那科机器人、智能罐装等 11 大模块的数字孪生模型，通过 PLCSIM Advanced 虚拟控制器与 Unity 三维环境的实时数据交互，实现对灌装流程的全数字化验证。系统具备虚实融合调试、故障场景模拟、性能优化等核心功能，有效提升 PLC 程序调试效率与设备运行可靠性。实验表明，该系统将调试周期缩短 60%，故障检测覆盖率提升至 92%，为复杂工业控制系统的智能化调试提供了工程化解决方案。
关键词：数字孪生、S7-1500 PLC、虚拟调试、Tecnomatix、智能灌装

正文

一、引言
在智能制造领域，智能灌装设备作为离散制造业的关键装备，其控制系统调试质量直接影响生产效率与产品质量。传统调试依赖物理设备，存在三大痛点：
(1) 硬件损耗严重：频繁启停导致传感器、执行机构寿命缩短，单次调试硬件损耗成本约 1500 元；
(2) 安全风险突出：程序逻辑错误易引发机械臂碰撞、液体泄漏等事故，安全事故发生率达 0.6 次/千小时；
(3) 场景覆盖不足：难以模拟传感器信号漂移、多机器人协同失效等复杂工况，故障检测覆盖率仅 70%。数字孪生技术通过虚拟空间镜像物理系统，为解决上述问题提供了新思路。本文以西门子 S7-1500 PLC 为控制核心，基于 Tecnomatix Process Simulate 16构建灌装设备数字孪生模型，开发集“虚拟建模-数据交互-智能调试”于一体的平台，实现对托盘投放、智能罐装、机器人分拣等全流程的虚拟验证，为工业控制系统调试提供高效、安全的解决方案。
二、系统总体架构与核心模块

2.1 双模型驱动架构及系统分层架构系统采用 “物理层 - 虚拟层 - 应用层” 三层架构，涵盖 11 大功能模块，实现虚实系统深度融合

图 1 双模型驱动架构图

2.1.1 物理层硬件设备：S7-1500 PLC、发那科工业机器人、伺服电机、称重传感器、视觉相机等；模块组成：托盘投放模块（气动式托盘存取）、物料传送模块（变频调速传送带）、智能罐装模块（电磁计量泵）等，支持硬件在环（HiL）调试。
2.1.2 虚拟层1.数字孪生模型：几何建模：使用 SolidWorks 按 1:1 比例构建 11 大模块三维模型，经 Blender轻量化处理后导入 Tecnomatix，模型面数优化至 15 万以内，渲染帧率达 60fps；行为仿真：定义各模块运动属性（如机械臂 D-H 参数、传送带动力学方程），通过 OPC UA 协议实时同步物理设备传感器数据（如称重传感器重量、视觉相机坐标）。
2.虚拟 PLC 系统：基于 PLCSIM Advanced 创建 S7-1500 虚拟控制器，支持 TIA Portal 程序无缝导入，模拟 CPU 1516-3 PN/DP 的高速运算与多协议通信（PROFINET、MODBUS）。
2.1.3 应用层调试工具集：程序验证（梯形图断点调试）、故障注入（传感器信号异常模拟）、性能分析（CPU 负载实时监控）；可视化界面：三维场景监控（设备动作实时渲染）、信号看板（I/O 状态动态显示）、日志系统（调试过程全记录）。
三、系统特点与创新性
3.1 系统特点
3.1.1 数字孪生技术深度融合全流程虚拟映射：通过 Tecnomatix 构建包含 11 大模块的数字孪生体，实现从空瓶抓取（机械手模块）到成品分拣（机器人模块）的全流程仿真，物理设备状态同步延迟≤15ms；预验证能力：生产前可通过虚拟模型验证工艺参数（如灌装流速、机器人路径），避免物理调试中的试错成本。
3.1.2 模块化与柔性化设计功能模块独立封装：各模块（如托盘循环模块、MES 系统）通过标准化 OPC UA接口交互，支持快速替换与扩展；参数动态配置：通过人机一体机实时调整灌装量、瓶型参数，虚拟模型自动匹配机械臂抓取姿态与传送带速度，适应多品种柔性生产。
3.1.3 多系统协同控制异构系统集成：S7-1500 PLC 作为控制中枢，通过 PROFINET 总线协同发那科机器人，通过 Modbus RTU 采集称重/视觉数据，通信延迟控制在 20ms 以内；数据闭环管理：MES 系统订单数据经 PLC 处理后驱动虚拟模型运行，调试结果反向优化生产排程，形成“规划-仿真-验证”闭环。
3.2 创新性设计
3.2.1 虚实融合调试技术双模型驱动架构：结合 Tecnomatix 物理仿真模型与 PLCSIM Advanced 虚拟控制器，实现“控制逻辑-设备动作”的双向验证：graph TDA[PLC 程序] --> B[虚拟控制器]B --> C[数字孪生模型]C --> D[传感器信号反馈]D --> B故障注入可视化：在三维场景中动态模拟机械臂卡滞（关节角度突变）、传送带打滑（速度异常）等故障，同步触发 PLC 故障处理程序（如 OB86 分布式 I/O故障组织块）。

3.2.2 智能质量控制模型多源数据融合：融合称重模块（±0.1g 精度）与视觉模块（缺陷识别率 98%）数据，通过 PLC 内置 PID 算法实时调整灌装量，确保灌装精度±0.3%以内；质量追溯机制：不合格产品信息（如灌装量偏差、瓶盖歪斜）同步至 MES系统，生成批次质量报告，支持全流程数据追溯。

图2业务流程图

3.2.3 高效循环作业机制托盘自动回收系统：通过虚拟模型优化托盘循环路径，将托盘复位时间从传统调试的 12 秒缩短至 8 秒，设备整体效率提升 15%；多机器人协同算法：基于 A*算法规划双机器人作业路径，避免运动干涉，分拣效率提升 20%。四、系统功能与设计要求
4.1 核心功能模块
4.1.1 生产管理功能订单处理：MES 系统支持多订单并行管理，自动解析产品规格（瓶型、灌装量）并生成控制参数；数据追溯：记录调试过程中的 PLC 程序版本、传感器数据、故障日志，支持历史数据查询与分析。
4.1.2 自动化控制功能流程自动化：通过 S7-1500 PLC 实现托盘投放→空瓶抓取→灌装→盖盖→分拣全流程自动控制，人工干预率≤5%；安全互锁：集成急停按钮、安全光幕虚拟信号，当虚拟机械臂进入危险区域时，自动触发 PLC 安全逻辑（所有电机停机）。
4.1.3 精准作业功能机器人定位：发那科机器人虚拟模型定位精度±0.1mm，结合视觉模块坐标补偿，空瓶抓取成功率≥99.9%；灌装精度控制：通过称重传感器实时反馈，PLC 动态调整灌装阀开度，实现不同粘度液体的精准计量（误差±0.5%以内）。
4.2 设计要求
4.2.1 性能指标指标项设计值测试方法灌装精度 ±0.3%以内称重传感器数据统计分析机器人定位精度 ±0.2mm 激光测距仪静态校准程序扫描周期 ≤10ms PLCSIM Advanced 性能监控通信延迟 ≤20ms OPC UA 数据交互测试连续运行时间 ≥24 小时 72 小时不间断仿真测试
4.2.2 环境适应性工作温度：0-40℃，湿度≤85%RH（无冷凝）；抗干扰能力：符合 IEC 61000-6-2 电磁兼容标准，支持工业现场强振动环境。
4.2.3 安全设计虚拟急停：点击界面急停按钮，10ms 内停止所有虚拟执行机构动作；故障安全机制：通信中断时，PLC 自动切换至安全模式，输出信号置 0 并报警。
五、设计方案与实现方法
5.1 硬件设计方案
5.1.1 控制器选型主控制器：西门子 S7-1500 PLC（CPU 1516-3 PN/DP），集成 PROFINET 接口，支持高速数据交互；扩展模块：SM 1231 模拟量输入模块（4-20mA 信号采集）、SM 1223 数字量模块（24V DC 输入输出）。
5.1.2 执行与检测装置执行机构：发那科 M-20iA 工业机器人（定位精度±0.1mm）、伺服电机（控制传送带速度）、气动机械手（空瓶抓取）；检测装置：梅特勒-托利多称重传感器（精度 0.05g）、康耐视视觉相机（分辨率 1280×1024，帧率 60fps）。
5.2 软件设计方案
5.2.1 控制层开发编程环境：TIA Portal V17，采用梯形图（LAD）与结构化文本（ST）混合编程，实现逻辑控制与算法处理；核心程序：OB1 主循环组织块、FB100 灌装控制功能块（包含 PID 算法）、FC20 机器人协同控制函数。
5.2.2 仿真层构建数字孪生建模：
1.使用 SolidWorks 创建各模块三维模型，导出 FBX 格式后导入 TecnomatixProcess Simulate 16；
2.定义运动约束（如机械臂关节旋转范围、传送带速度上限），绑定传感器/执行器信号至 PLC 寄存器（表 1）。虚拟模块信号类型 PLC 地址功能描述托盘投放传感器 BOOL %I0.0 托盘到位检测灌装阀控制 BOOL %Q0.1 开启/关闭灌装阀机器人关节角度 REAL %DB1.DBD0 机械臂 1 轴角度（弧度）传送带速度 INT %MW10 传送带速度设定值（m/s）
5.2.3 管理层集成MES 系统：采用 SQL Server 数据库，通过 OPC UA 协议与 PLC 交互，实现订单数据下发与调试结果上传；人机界面：基于 WinCC Unified 设计，支持实时监控、参数配置、故障报警等功能。
5.3 电路结构设计
5.3.1 电源电路输入：220V AC，经隔离变压器（抗干扰）与开关电源转换为 24V DC，为 PLC、传感器、继电器供电；保护：配置过压/欠压保护模块，电压波动超过±10%时自动断电。5.3.2 信号处理电路模拟量：称重传感器输出 4-20mA 信号，经信号调理模块转换为 0-10V 电压信号，接入 PLC 模拟量输入模块；数字量：光电传感器、按钮信号直接接入 PLC 数字量输入模块，输出模块通过继电器控制电磁阀、电机启停。
5.3.3 通信电路工业总线：PLC 与发那科机器人通过 PROFINET 总线通信，数据吞吐量100Mbps，通信周期 1ms；串行通信：视觉模块、称重模块通过 Modbus RTU 协议与 PLC 连接，波特率19200bps，校验方式 CRC-16。
六、程序设计与关键技术
6.1 机器人程序设计（Karel 语言）
MODULE MainModuleDEF Main()Initialize();
// 机器人回零位WHILE TRUE DOPickBottle(); // 视觉定位抓取空瓶TransferBottle();
// 移送至灌装位WaitForFillComplete();
// 等待灌装完成CapOperation();
// 盖盖操作InspectProduct();
// 质检分拣END WHILEEND DEFFUNC PickBottle()
// 接收视觉模块坐标（X,Y,Z）GET 视觉坐标 TO bottle_pos;
// 运动学反解计算关节角度INVERSE_KINEMATICS(bottle_pos, joint_angles);
// 驱动虚拟机械臂运动MOVE J(joint_angles) V(50%);
END FUNCEND MODULE
6.2 PLC 程序设计（结构化文本）
PROGRAM MainProgramVARStartSignal: BOOL;
// 启动信号（来自人机界面）FillWeight: REAL;
// 实时灌装重量（来自称重模块）FillTarget: REAL := 500.0;
// 目标灌装量END_VAR
// 读取启动信号StartSignal :
= HMI.StartButton;IF StartSignal THEN
// 托盘投放逻辑IF TrayModule.TrayAvailable THENTrayModule.ReleaseTray();END_IF
// 灌装控制逻辑FillWeight :
= WeightModule.Read();
IF FillWeight < FillTarget THENFillValve.Open();
// 开启灌装阀ELSEFillValve.Close();
// 关闭灌装阀FillComplete :
= TRUE;END_IFEND_IF
6.3 关键技术实现
6.3.1 数字孪生模型构建几何建模优化：采用轻量化技术将模型文件大小压缩至原尺寸的 1/5，确保虚拟场景流畅运行（帧率≥30fps）；动力学仿真：基于牛顿-欧拉方程模拟机械臂负载变化对关节扭矩的影响，提升运动轨迹仿真精度。
6.3.2 虚实数据交互OPC UA 服务器配置：在 PLCSIM Advanced 中启用 OPC UA 服务，定义数据标签（如“DB1.FillTarget”对应目标灌装量），支持 Unity 客户端实时读写；通信容错机制