本發(fā)明涉及數(shù)字仿真，尤其涉及一種可編程控制器的數(shù)字仿真方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的可編程控制器在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是在開(kāi)發(fā)和調(diào)試控制器程序時(shí)存在著一定的困難，因?yàn)樾枰趯?shí)際設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試，這可能會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)和成本增加。因此，數(shù)字仿真技術(shù)成為了解決這一問(wèn)題的有效途徑之一。

2、隨著plc(可編程邏輯控制器)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，plc和hmi廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)也取得了顯著進(jìn)步。plc用戶程序的容量和復(fù)雜度隨之不斷增加，用戶難以一次性完成所有程序操作，例如檢查程序編寫(xiě)的正確性、運(yùn)行的可靠性和邏輯關(guān)系的合規(guī)性，傳統(tǒng)的plc和hmi系統(tǒng)需要大量的硬件設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，導(dǎo)致成本高、學(xué)習(xí)難度大、設(shè)備維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題?，F(xiàn)有技術(shù)的仿真系統(tǒng)雖然部分解決了這些問(wèn)題，但在通信協(xié)議兼容性和系統(tǒng)集成方面仍存在不足。

3、在plc使用過(guò)程中，由于環(huán)境或需求的改變，往往需要對(duì)用戶程序進(jìn)行變更，同時(shí)還要保持運(yùn)行的連續(xù)性。這就需要在plc不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行程序調(diào)整。為提高plc的易用性和可調(diào)試性，在數(shù)據(jù)仿真與數(shù)據(jù)孿生方面有著廣闊的前景。

4、plc在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛，成為技術(shù)類學(xué)校機(jī)電類相關(guān)專業(yè)的必修課程。然而，由于plc及其配套設(shè)備價(jià)格昂貴，許多學(xué)校的plc設(shè)備數(shù)量有限，教學(xué)和編程練習(xí)通常只能通過(guò)純軟件仿真進(jìn)行，而數(shù)值化仿真系統(tǒng)可以將實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)代入仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合。

5、在現(xiàn)有的智能制造領(lǐng)域，數(shù)字化軟件編程與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境之間往往存在顯著差異。這種差異導(dǎo)致在生產(chǎn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試過(guò)程中面臨諸多技術(shù)難點(diǎn)，具體包括：

6、1、現(xiàn)有系統(tǒng)通常依賴于物理設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，增加了開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間；

7、2、實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)難以在數(shù)字化仿真過(guò)程中準(zhǔn)確模擬，影響仿真結(jié)果的可靠性；

8、3、缺乏有效的系統(tǒng)調(diào)試和監(jiān)控機(jī)制，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題；

9、4、通訊協(xié)議的多樣性和復(fù)雜性增加了系統(tǒng)集成的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種可編程控制器的數(shù)字仿真方法及系統(tǒng)，旨在解決數(shù)字化軟件編程與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境之間的差異，提升數(shù)字仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低數(shù)字仿真系統(tǒng)難度，降低開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用的效率與效果。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種可編程控制器的數(shù)字仿真方法，所述方法包括以下步驟：

3、步驟s10，搭建服務(wù)器單元，所述服務(wù)器單元用于對(duì)可編程控制器進(jìn)行仿真，并通過(guò)對(duì)內(nèi)部通訊單元實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程控制器和人機(jī)界面的仿真；

4、步驟s20，程序編譯與執(zhí)行：編寫(xiě)程序并通過(guò)數(shù)據(jù)接口將所述程序下載至程序編譯執(zhí)行單元，通過(guò)所述程序編譯執(zhí)行單元編譯用戶程序、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析；

5、步驟s30，數(shù)據(jù)收集與建模：通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元收集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模型庫(kù)和數(shù)字仿真界面；

6、步驟s40，驅(qū)動(dòng)仿真：通過(guò)驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行單元進(jìn)行驅(qū)動(dòng)仿真，至少包括i/o仿真、驅(qū)動(dòng)仿真和外設(shè)仿真；

7、步驟s50，系統(tǒng)調(diào)試與監(jiān)控：通過(guò)監(jiān)控校對(duì)單元對(duì)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，輸出異常報(bào)告，實(shí)現(xiàn)差異化顯示與控制；

8、步驟s60，通過(guò)外設(shè)通訊單元中的modbus?tcp協(xié)議，與多個(gè)仿真的可編程控制器進(jìn)行通訊，并與現(xiàn)實(shí)中的i/o板卡、驅(qū)動(dòng)板卡和上位機(jī)進(jìn)行通訊；

9、步驟s70，項(xiàng)目調(diào)試與教學(xué)應(yīng)用：通過(guò)編寫(xiě)程序并通過(guò)所述服務(wù)器單元獲取生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，模擬實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)字化仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)離線開(kāi)發(fā)和初期調(diào)試。

10、本發(fā)明進(jìn)一步地技術(shù)方案是，所述步驟s20之前還包括：

11、判斷系統(tǒng)是否正常；

12、若正常，則進(jìn)入所述步驟s20。

13、本發(fā)明進(jìn)一步地技術(shù)方案是，所述步驟s10包括：

14、安裝和配置操作系統(tǒng)：在服務(wù)器上安裝并配置操作系統(tǒng)，選擇合適的linux發(fā)行版，確保服務(wù)器能夠穩(wěn)定運(yùn)行并與網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接；

15、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：配置服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，確保服務(wù)器能穩(wěn)定連接到局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，所述服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)至少包括ip地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)和dns；

16、安裝和配置nginx服務(wù)器軟件：通過(guò)編輯nginx配置文件，設(shè)置服務(wù)器塊和虛擬主機(jī)，確保nginx能夠處理外部請(qǐng)求；

17、配置防火墻規(guī)則：使用適當(dāng)?shù)拿钤试Snginx服務(wù)，通過(guò)配置防火墻規(guī)則確保服務(wù)器的安全性；

18、進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透：使用工具設(shè)置隧道服務(wù)，將服務(wù)器本地服務(wù)映射到外網(wǎng)，確保同網(wǎng)段設(shè)備能夠直接訪問(wèn)服務(wù)器；

19、選擇并配置服務(wù)器節(jié)點(diǎn)：搭建多節(jié)點(diǎn)分布式架構(gòu)，確保系統(tǒng)的高可用性和負(fù)載均衡；

20、安裝可編程控制器和hmi編程軟件：先選擇適合的開(kāi)發(fā)環(huán)境，確保軟件能夠與服務(wù)器單元系統(tǒng)兼容。

21、本發(fā)明進(jìn)一步地技術(shù)方案是，所述步驟s20包括：

22、編寫(xiě)可編程控制器控制程序：定義設(shè)備控制邏輯和流程，包括輸入輸出控制、邏輯運(yùn)算和定時(shí)控制，確保程序邏輯正確、結(jié)構(gòu)清晰；

23、編寫(xiě)hmi程序：設(shè)計(jì)用戶界面，顯示系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制選項(xiàng)，確保界面直觀友好；

24、導(dǎo)入程序編譯執(zhí)行單元；

25、所述導(dǎo)入程序編譯執(zhí)行單元的步驟包括：

26、導(dǎo)入可編程控制器程序并編譯測(cè)試：將可編程控制器程序?qū)氤绦蚓幾g執(zhí)行單元，進(jìn)行編譯和測(cè)試，確保程序無(wú)誤，并能夠在仿真環(huán)境中正常運(yùn)行；

27、導(dǎo)入hmi程序并編譯測(cè)試：將hmi程序?qū)刖幾g執(zhí)行單元，進(jìn)行編譯和測(cè)試，確保界面與可編程控制器程序正確交互，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和控制指令準(zhǔn)確傳遞；

28、下載程序至服務(wù)器單元：將編譯好的可編程控制器和hmi程序下載至服務(wù)器單元的可編程控制器和hmi仿真器中，確保程序能夠在仿真環(huán)境中正常運(yùn)行，并與實(shí)際設(shè)備保持一致。

29、本發(fā)明進(jìn)一步地技術(shù)方案是，所述步驟s30包括：

30、配置數(shù)據(jù)采集單元：配置數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)采集單元包括a/d模擬模塊、io狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、軸運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模塊和產(chǎn)品配方數(shù)據(jù)采集模塊，確保數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)，為仿真系統(tǒng)提供必要的輸入數(shù)據(jù)。

31、安裝傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊：確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備溫度、壓力傳感器安裝完畢，以便在數(shù)據(jù)采集單元中確保環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確采集，傳感器信號(hào)通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器傳輸至數(shù)據(jù)采集單元，供仿真程序使用；

32、連接io模塊：連接數(shù)據(jù)采集單元的io模塊，確保信號(hào)傳輸正常，采集系統(tǒng)中各類數(shù)字信號(hào)，并傳輸至可編程控制器進(jìn)行處理；

33、安裝軸運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模塊：在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中安裝和配置軸運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模塊，采集軸的扭矩、速度、加減速運(yùn)行數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，為仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

34、配置產(chǎn)品配方數(shù)據(jù)采集模塊：配置產(chǎn)品配方數(shù)據(jù)采集模塊，采集并管理生產(chǎn)過(guò)程中使用的各種配方數(shù)據(jù)，確保配方數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，為仿真系統(tǒng)提供必要的參數(shù)。

35、本發(fā)明進(jìn)一步地技術(shù)方案是，所述步驟s40包括：

36、安裝驅(qū)動(dòng)模擬設(shè)備：安裝驅(qū)動(dòng)模擬設(shè)備，包括電機(jī)、氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配置這些設(shè)備的控制模塊，確保響應(yīng)及時(shí)、控制精確。

37、模擬輸出控制：模擬驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元對(duì)輸出進(jìn)行仿真控制，包括控制電機(jī)啟動(dòng)、氣缸動(dòng)作，確保設(shè)備按照預(yù)定程序運(yùn)行；

38、模擬軸運(yùn)行狀態(tài)：在驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行單元中模擬軸的運(yùn)行狀態(tài)，包括負(fù)載與扭矩、軸定位，確保模擬運(yùn)行與實(shí)際操作一致，為后續(xù)的監(jiān)控和校對(duì)提供基礎(chǔ)；

39、模擬氣缸動(dòng)作：在驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行單元中模擬氣缸的動(dòng)作，包括推進(jìn)、回縮操作，確保模擬過(guò)程與實(shí)際生產(chǎn)操作一致。

40、本發(fā)明進(jìn)一步地技術(shù)方案是，所述步驟s50包括：

41、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)：在監(jiān)控校對(duì)單元中實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，記錄各類操作數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題；

42、校對(duì)模擬執(zhí)行單元操作：在監(jiān)控校對(duì)單元中校對(duì)驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行單元的操作，確保各項(xiàng)操作準(zhǔn)確無(wú)誤，輸出校對(duì)結(jié)果，為異常報(bào)表提供數(shù)據(jù)支持；

43、輸出異常報(bào)表：在監(jiān)控校對(duì)單元中輸出異常報(bào)表，記錄運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，確保異常報(bào)表準(zhǔn)確、詳細(xì)，為后續(xù)的調(diào)整和優(yōu)化提供依據(jù)。

44、確認(rèn)異常報(bào)表：對(duì)監(jiān)控校對(duì)單元輸出的異常報(bào)表進(jìn)行確認(rèn)，確保報(bào)告無(wú)誤，為后續(xù)的外設(shè)通訊和實(shí)際控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

45、本發(fā)明進(jìn)一步地技術(shù)方案是，所述步驟s60包括：

46、配置運(yùn)動(dòng)板卡：配置外設(shè)通訊單元中的運(yùn)動(dòng)板卡，確保運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)傳輸準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精確控制；

47、配置io控制卡：配置外設(shè)通訊單元中的io控制卡，確保數(shù)字信號(hào)的輸入輸出控制準(zhǔn)確無(wú)誤，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控；

48、配置485模塊：配置外設(shè)通訊單元中的485模塊，確保通訊穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的可靠數(shù)據(jù)傳輸；

49、配置232通訊模塊：配置外設(shè)通訊單元中的232通訊模塊，確保數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的無(wú)縫對(duì)接；

50、激活外設(shè)通訊單元：在確認(rèn)異常報(bào)表無(wú)誤后，激活外設(shè)通訊單元，進(jìn)行設(shè)備控制，確保各類通訊模塊正常工作。

51、本發(fā)明進(jìn)一步地技術(shù)方案是，所述步驟s70包括：

52、進(jìn)行綜合測(cè)試：進(jìn)行全系統(tǒng)綜合測(cè)試，確保各模塊正常工作，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化整體性能；

53、優(yōu)化通訊數(shù)據(jù)回流：通過(guò)優(yōu)化通訊數(shù)據(jù)回流過(guò)程，實(shí)現(xiàn)hmi與可編程控制器的高效通訊，確保系統(tǒng)綜合顯示程序穩(wěn)定運(yùn)行；

54、分析數(shù)據(jù)模型：對(duì)數(shù)據(jù)采集單元采集到的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析，傳輸至數(shù)字化仿真系統(tǒng)對(duì)應(yīng)api接口，確保數(shù)據(jù)模型準(zhǔn)確、及時(shí)，為仿真系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

55、執(zhí)行運(yùn)行結(jié)果：服務(wù)器單元中的可編程控制器仿真器獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行程序分析判斷，輸出至驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行單元，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的運(yùn)行結(jié)果；

56、閉環(huán)監(jiān)控：通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元與監(jiān)控校對(duì)單元進(jìn)行閉環(huán)監(jiān)控，校對(duì)驅(qū)動(dòng)模擬運(yùn)行模塊，輸出異常報(bào)表，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

57、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提出一種可編程控制器的數(shù)字仿真系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括服務(wù)器單元、程序編譯執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)采集單元、驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行單元、監(jiān)控校對(duì)單元和外設(shè)通訊單元；

58、所述服務(wù)器單元用于對(duì)可編程控制器進(jìn)行仿真，并通過(guò)對(duì)內(nèi)部通訊單元實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程控制器和人機(jī)界面的仿真；

59、程序編譯執(zhí)行單元用于編寫(xiě)程序并通過(guò)數(shù)據(jù)接口將所述程序下載至程序編譯執(zhí)行單元，通過(guò)所述程序編譯執(zhí)行單元編譯用戶程序、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析；

60、數(shù)據(jù)采集單元用于收集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模型庫(kù)和數(shù)字仿真界面；

61、所述驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行單元用于進(jìn)行驅(qū)動(dòng)仿真，至少包括i/o仿真、驅(qū)動(dòng)仿真和外設(shè)仿真；

62、監(jiān)控校對(duì)單元用于對(duì)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，輸出異常報(bào)告，實(shí)現(xiàn)差異化顯示與控制；

63、外設(shè)通訊單元用于通過(guò)modbus?tcp協(xié)議，與多個(gè)仿真的可編程控制器進(jìn)行通訊，并與現(xiàn)實(shí)中的i/o板卡、驅(qū)動(dòng)板卡和上位機(jī)進(jìn)行通訊；

64、所述服務(wù)器還用于獲取生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，模擬實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)字化仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)離線開(kāi)發(fā)和初期調(diào)試。

65、本發(fā)明可編程控制器的數(shù)字仿真方法及系統(tǒng)的有益效果是：

66、本發(fā)明通過(guò)對(duì)數(shù)字化仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅可以節(jié)約實(shí)際生產(chǎn)的調(diào)試時(shí)間，還能在一定程度上解決職業(yè)教育與應(yīng)用項(xiàng)目脫節(jié)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。本發(fā)明過(guò)程簡(jiǎn)單有效，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，特別是在學(xué)習(xí)研究過(guò)程中，通過(guò)結(jié)合不同的數(shù)據(jù)模型可演練出更多的真實(shí)場(chǎng)景，解決實(shí)際項(xiàng)目中會(huì)遇到的問(wèn)題，大大增加了實(shí)際項(xiàng)目控制穩(wěn)定性，同時(shí)減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試所占用的時(shí)間，減少開(kāi)發(fā)至交付的周期時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。