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)自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是在開發(fā)和調(diào)試控制器程序時存在著一定的困難，因為需要在實際設(shè)備上進行測試，這可能會帶來安全風(fēng)險和成本增加。因此，數(shù)字仿真技術(shù)成為了解決這一問題的有效途徑之一。

2、隨著plc(可編程邏輯控制器)在各個應(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)自動化控制技術(shù)也取得了顯著進步。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，例如檢查程序編寫的正確性、運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)備進行調(diào)試和測試，導(dǎo)致成本高、學(xué)習(xí)難度大、設(shè)備維護復(fù)雜等問題?，F(xiàn)有技術(shù)的仿真系統(tǒng)雖然部分解決了這些問題，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使用過程中，由于環(huán)境或需求的改變，往往需要對用戶程序進行變更，同時還要保持運行的連續(xù)性。這就需要在plc不停機的狀態(tài)下進行程序調(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)通常只能通過純軟件仿真進行，而數(shù)值化仿真系統(tǒng)可以將實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)代入仿真系統(tǒng)中，實現(xiàn)虛實結(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)的開發(fā)和調(diào)試過程中面臨諸多技術(shù)難點，具體包括：

6、1、現(xiàn)有系統(tǒng)通常依賴于物理設(shè)備進行調(diào)試，增加了開發(fā)成本和時間；

7、2、實際生產(chǎn)環(huán)境中的實時數(shù)據(jù)難以在數(shù)字化仿真過程中準(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)控機制，難以及時發(fā)現(xiàn)和解決問題；

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，降低開發(fā)成本和時間，提高系統(tǒng)開發(fā)和實際應(yīng)用的效率與效果。

2、為了達到上述目的，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)器單元用于對可編程控制器進行仿真，并通過對內(nèi)部通訊單元實現(xiàn)對可編程控制器和人機界面的仿真；

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

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

6、步驟s40，驅(qū)動仿真：通過驅(qū)動模擬執(zhí)行單元進行驅(qū)動仿真，至少包括i/o仿真、驅(qū)動仿真和外設(shè)仿真；

7、步驟s50，系統(tǒng)調(diào)試與監(jiān)控：通過監(jiān)控校對單元對執(zhí)行結(jié)果進行比對，輸出異常報告，實現(xiàn)差異化顯示與控制；

8、步驟s60，通過外設(shè)通訊單元中的modbus?tcp協(xié)議，與多個仿真的可編程控制器進行通訊，并與現(xiàn)實中的i/o板卡、驅(qū)動板卡和上位機進行通訊；

9、步驟s70，項目調(diào)試與教學(xué)應(yīng)用：通過編寫程序并通過所述服務(wù)器單元獲取生產(chǎn)中的實時數(shù)據(jù)，模擬實際生產(chǎn)的數(shù)字化仿真環(huán)境，實現(xiàn)離線開發(fā)和初期調(diào)試。

10、本發(fā)明進一步地技術(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，則進入所述步驟s20。

13、本發(fā)明進一步地技術(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)定運行并與網(wǎng)絡(luò)無縫連接；

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：通過編輯nginx配置文件，設(shè)置服務(wù)器塊和虛擬主機，確保nginx能夠處理外部請求；

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

18、進行內(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)備能夠直接訪問服務(wù)器；

19、選擇并配置服務(wù)器節(jié)點：搭建多節(jié)點分布式架構(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)明進一步地技術(shù)方案是，所述步驟s20包括：

22、編寫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、邏輯運算和定時控制，確保程序邏輯正確、結(jié)構(gòu)清晰；

23、編寫hmi程序：設(shè)計用戶界面，顯示系統(tǒng)狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)和控制選項，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試：將可編程控制器程序?qū)氤绦蚓幾g執(zhí)行單元，進行編譯和測試，確保程序無誤，并能夠在仿真環(huán)境中正常運行；

27、導(dǎo)入hmi程序并編譯測試：將hmi程序?qū)刖幾g執(zhí)行單元，進行編譯和測試，確保界面與可編程控制器程序正確交互，數(shù)據(jù)實時顯示和控制指令準(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)境中正常運行，并與實際設(shè)備保持一致。

29、本發(fā)明進一步地技術(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、實時，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，傳感器信號通過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，確保信號傳輸正常，采集系統(tǒng)中各類數(shù)字信號，并傳輸至可編程控制器進行處理；

33、安裝軸運行數(shù)據(jù)采集模塊：在現(xiàn)場設(shè)備中安裝和配置軸運行數(shù)據(jù)采集模塊，采集軸的扭矩、速度、加減速運行數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)實時、準(zhǔn)確，為仿真系統(tǒng)的動態(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)明進一步地技術(shù)方案是，所述步驟s40包括：

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

37、模擬輸出控制：模擬驅(qū)動執(zhí)行單元對輸出進行仿真控制，包括控制電機啟動、氣缸動作，確保設(shè)備按照預(yù)定程序運行；

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

39、模擬氣缸動作：在驅(qū)動模擬執(zhí)行單元中模擬氣缸的動作，包括推進、回縮操作，確保模擬過程與實際生產(chǎn)操作一致。

40、本發(fā)明進一步地技術(shù)方案是，所述步驟s50包括：

41、實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)：在監(jiān)控校對單元中實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，記錄各類操作數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題；

42、校對模擬執(zhí)行單元操作：在監(jiān)控校對單元中校對驅(qū)動模擬執(zhí)行單元的操作，確保各項操作準(zhǔn)確無誤，輸出校對結(jié)果，為異常報表提供數(shù)據(jù)支持；

43、輸出異常報表：在監(jiān)控校對單元中輸出異常報表，記錄運行過程中出現(xiàn)的異常情況，確保異常報表準(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)異常報表：對監(jiān)控校對單元輸出的異常報表進行確認(rèn)，確保報告無誤，為后續(xù)的外設(shè)通訊和實際控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

45、本發(fā)明進一步地技術(shù)方案是，所述步驟s60包括：

46、配置運動板卡：配置外設(shè)通訊單元中的運動板卡，確保運動控制信號傳輸準(zhǔn)確，實現(xiàn)對設(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)字信號的輸入輸出控制準(zhǔn)確無誤，實現(xiàn)設(shè)備的實時控制和監(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，實現(xiàn)與外部設(shè)備的無縫對接；

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

51、本發(fā)明進一步地技術(shù)方案是，所述步驟s70包括：

52、進行綜合測試：進行全系統(tǒng)綜合測試，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：通過優(yōu)化通訊數(shù)據(jù)回流過程，實現(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)定運行；

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

55、執(zhí)行運行結(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)，進行程序分析判斷，輸出至驅(qū)動模擬執(zhí)行單元，執(zhí)行對應(yīng)的運行結(jié)果；

56、閉環(huán)監(jiān)控：通過數(shù)據(jù)采集單元與監(jiān)控校對單元進行閉環(huán)監(jiān)控，校對驅(qū)動模擬運行模塊，輸出異常報表，實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

57、為實現(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)動模擬執(zhí)行單元、監(jiān)控校對單元和外設(shè)通訊單元；

58、所述服務(wù)器單元用于對可編程控制器進行仿真，并通過對內(nèi)部通訊單元實現(xiàn)對可編程控制器和人機界面的仿真；

59、程序編譯執(zhí)行單元用于編寫程序并通過數(shù)據(jù)接口將所述程序下載至程序編譯執(zhí)行單元，通過所述程序編譯執(zhí)行單元編譯用戶程序、進行數(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)備的實際環(huán)境數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模型庫和數(shù)字仿真界面；

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

62、監(jiān)控校對單元用于對執(zhí)行結(jié)果進行比對，輸出異常報告，實現(xiàn)差異化顯示與控制；

63、外設(shè)通訊單元用于通過modbus?tcp協(xié)議，與多個仿真的可編程控制器進行通訊，并與現(xiàn)實中的i/o板卡、驅(qū)動板卡和上位機進行通訊；

64、所述服務(wù)器還用于獲取生產(chǎn)中的實時數(shù)據(jù)，模擬實際生產(chǎn)的數(shù)字化仿真環(huán)境，實現(xiàn)離線開發(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)明通過對數(shù)字化仿真系統(tǒng)的設(shè)計，不僅可以節(jié)約實際生產(chǎn)的調(diào)試時間，還能在一定程度上解決職業(yè)教育與應(yīng)用項目脫節(jié)的問題，實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。本發(fā)明過程簡單有效，而且經(jīng)濟實用，特別是在學(xué)習(xí)研究過程中，通過結(jié)合不同的數(shù)據(jù)模型可演練出更多的真實場景，解決實際項目中會遇到的問題，大大增加了實際項目控制穩(wěn)定性，同時減少了現(xiàn)場調(diào)試所占用的時間，減少開發(fā)至交付的周期時間，進而實現(xiàn)良性循環(huán)，保證整個系統(tǒng)安全可靠的運行。