数字化虚拟调试平台在海外自动化立体库项目的应用

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摘要：本文探讨了罗克韦尔数字化仿真平台软件Emulate3D在海外大型自动化立体库升级改造项目中的应用。通过搭建仿真调试平台，实现了系统建模与仿真技术的结合，极大地方便了工控人员的调试工作。项目通过仿真平台缩短了调试周期、节约了场地成本、降低了人员劳动强度，提高了经济效益，并作为数字化沙盘交付客户，验证了虚拟调试平台在高阶虚拟调试场景中的价值和可行性。

关键词：数字化虚拟调试平台；Emulate3D；自动化立体库

作者：张劼鹏 刘鹏

罗克韦尔自动化有限公司

近年来，随着市场对物流速度和效率的需求不断提高，大型自动化、智能化立体仓库越来越受到制造企业和物流企业的重视。

一个大型的自动化立体仓库往往涉及多种物流子系统，如自动化存储系统、自动引导系统、轨道车系统、自动输送线系统、分拣系统以及机器人系统。这其中还包含多种作业，如堆垛机作业、AGV路径规划、RGV调度作业、输送线控制以及物流信息和上层软件数据库信息交互等。所以，自动化立体仓库是一个带有随机性、动态性、多因素、多目标的复杂系统，其规划、设计、建设会面临一系列问题，如管控软件WCS或WMS中对自动化立体库的储位分配和货物调度最优化等问题都存在一定困难和挑战。此外，对于带有定制性的复杂自动化立体仓库系统，工控人员怎么快速地编制和测试PLC控制程序也是自动化立体仓库快速建设的关键问题。

本文利用罗克韦尔的数字化仿真平台软件Emulate3D搭建WCS/WMS和PLC仿真调试平台，将系统建模和现代仿真技术运用到其中，为WCS/WMS软件中的优化提供科学、合理的决策依据；同时，也利用Emulate3D封装过的模型代替实物设备，将为工控人员调试带来极大的便利。

一

技术、经济效益分析

1.技术场景价值

本项目中，利用仿真软件搭建仿真调试平台过程中会运用到3D模型场景搭建、动作封装、图形化脚本编制等建模方法。此外，项目还建立了上层软件和下位机PLC软件以及仿真软件信息交互的接口和框架，能够为今后新项目实施提供技术基础，实现了组件库和工作流程的标准化，后续类似场景的开发将会更加快速和便捷。项目完成后，仿真平台Emulate3D软件和相关模型作为数字化交付的主体，同步交付给终端客户。作为未来优化和智能排产的数字化测试沙盘，提高了数字资产的增益价值。

2.经济效益分析

在以往或者传统自动化立体仓库研发和建设中，工控人员和软件人员通常的做法是在公司完成程序的初步编制，随后在实施工厂进行程序的测试和调试，这当中会导致一些问题：如实地测试和调试时设备会占用客户的场地，影响客户工厂的正常生产；实地测试的环境差、测试效率低，将拖慢施工期，产生很高的时间成本，进而推高人力成本。此外，实地测试和调试会造成公司人员大量、长时间出差现象，实施工厂环境差会一定程度上降低调试人员的效率。本项目研发的仿真调试系统能够为工控人员和软件人员提供测试和调试数字化沙盘以及虚拟场景，能够实现提前测试、并行测试以及集成测试的目的，能够缩短调试周期、节约场地成本、降低实施人员劳动强度，提高经济效益。

二

虚拟调试场景说明

本文选用国内某物流系统集成商的海外大型自动化立体库升级改造项目为对象进行场景落地，该场景是一个典型的自动化立体仓库升级改造项目，包含堆垛机、输送线设备、拆/码盘机、提升机等常用设备，场景对于该集成商后续类似的项目都有借鉴和参考价值，同时按照改造项目的模式进行虚拟调试，即在原有现场PLC系统和WCS上进行升级和改造（WCS和部分PLC程序是现有的）。该项目已于2024年投产并且稳定运行。

三

研发环境搭建

1.软件和硬件配备（见表1）

表1 软件和硬件配置表

2.人员配置（见表2）

表2 人员配置表

四

系统框架说明

自动化立体库控制层主要由Emulate3D中SRM控制输送系统与输送线组成。SRM控制输送系统模型动作控制完全封装在Emulate3D 模型中，PLC只需负责控制输送线模型相关的输送动作。

图1 控制逻辑架构图

PLC控制输送线模型运动机制为：WCS、PLC、输送线模型之间通过WCS-PLC接口和PLC-仿真模型接口进行数据交互，三者关系如图1。WCS下发控制输送线货物流向的指令给PLC，然后PLC下发动作的起/停等指令给输送线等执行机构模型，控制输送线和各个模型完成动作，同时模型上的传感器会反馈动作执行情况给PLC。

1.WCS-PLC 接口

WCS通过PLC通讯协议周期性扫描在双方约定相应PLC地址进行数据交互，从而实现入库流程指令的下发和输送线状态的向上反馈。这部分在已投产的自动化立体库已经实现，PLC测试版本中不需要再实现。

2.PLC-仿真模型接口

模型通过Emulate3D自带的PLC通讯协议与PLC数据交互。具体过程为：封装后的仿真平台模型动作可以通过几个仿真平台变量进行控制，仿真平台变量与PLC变量绑定，然后利用通讯协议实现同步。因此，PLC程序只需改变绑定的PLC变量值，即可改变相应仿真平台变量的值，也就实现了对仿真平台模型的运动控制（如图2）。

图2 IO通讯协议和标签控制器

（1）接口说明

WCS调试为了尽可能还原自动化立体库WCS与下层设备（堆垛机、输送线、PLC等）的通讯接口，在输送线部分也使用PLC的地址作为信息通讯的接口，而在Emulate3D中SRM模型的堆垛机部分使用Telegram报文协议进行信息的交换。使用PLC的地址作为信息通讯接口在前文已经详细描述，这里不在赘述。

图3 QuickLogic图形化编程语言

为了提高虚拟调试的效率和逻辑搭建速度，本次采用了Emulate3D中的新功能Wiring Diagram（接线图）开发方式，该工作流程专为电控虚拟调试场景开发，通过工程实践，缩短了自动化工程师在仿真平台中搭建模型逻辑的周期，降低开发过程中的软件学习成本（如图4）。

图4 Wiring Diagram开发方式

在Emulate3D平台中Telegram报文协议的配置以往需要通过C#来进行编写，本次采用了最新的Telegram报文协议编辑器，替代了过去的代码编写过程，提高了开发效率，降低了开发难度（如图5）。

图5 Telegram报文格式编辑器

（2）场景建模

通过直接调用Emulate3D中的自动化立体库、线体、堆高机、AGV等模型库在Unreal开发引擎模式下快速快速完成场景的搭建和参数化设计（如图6）。

图6 场景概览

五

调试设计过程说明

1.PLC调试内容

PLC调试版本的设计框架如图7，在数据交互方式上，绝大数自助设计控制的设备模型是WCS 系统通过通讯协议控制PLC，仿真模型通过PLC-仿真模型接口也就是Emulate3D变量绑定进行对PLC 进行控制。而少数设备如堆垛机（隶属于SRM控制输送系统）模型是通过Telegram报文信息交换，PLC不对其进行动作控制。在控制模式上，输送线绝大部分设备模型都是WCS下发任务指令给PLC，PLC中的动作控制程序根据指令再发送动作指令给模型，驱动模型进行相应的动作。

图7 PLC调试内容系统架构

2.WCS调试内容

WCS调试版本的设计框架如图8，在数据交互方式上，WCS调试版本和PLC调试版本基本一致。但在控制模式上有比较大的差异，在PLC调试版本中，WCS下发的指令由仿真模型动作控制脚本程序解析（QuickLogic），再驱动模型实现相应动作，PLC在其中只起到数据交互通道的作用，不需要对PLC进行逻辑编程。

图8 WCS调试内容系统架构

六

总结

从项目立项开始实施以来，该场景在Emulate3D中完成了所有设备的仿真模型搭建、通讯接口设计、PLC调试版本和WCS调试版本的构建和测试，圆满达成了项目的预期目标。同时缩短了项目实施周期，降低了人员现场调试费用。最终，该场景作为数字化沙盘交付给客户，并作为常规的系统测试工具验证了数字化虚拟调试平台在高阶虚拟调试场景中的价值和落地的可行性。

———— 物流技术与应用 ————

编辑、排版：王茜

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