基于NX MCD 西门子S7-1500PLC并条机仿真系统设计与虚拟调试
摘要 本课题基于数字孪生技术，综合运用 NX 、TIA Portal等软件，对棉纺织行业中广
泛应用的并条机原型机进行了出条装置的结构创新以及相应PLC控制程序及触摸屏的设计
与编写，并对此进行了NX MCD与TIA的机电联合虚拟仿真。本课题首先以JWF1312B-SM型
号并条机为参考，在NX建模里面对并条机进行了结构设计以及三维模型建模，再在MCD模
块里面创建并条机三维模型的机电对象及运动仿真，其次在TIA Portal软件里面选用S7-
1500型号编写并条机的PLC程序以及选用TP700 Comfort型号触摸屏设计相应的界面，然
后使用 PLCSIM Adv建立起NX MCD与 TIA的通信环境,并且配置起PLC外部信号与MCD内部
信号的信号映射，最后通过对触摸屏HMI的控制，成功验证了重新设计后的并条机的工作
功能（启动与停止、运行状态监控以及故障检测功能）。 关键词：NX MCD TIA Portal PLC 并条机 数字孪生
第一章 绪论
1.1 课题的背景与意义
并条机（drawing frame）是一种广泛应用于棉纺行业的技术产品，它的作用主要是
使不同种类或不同品质的原料能够混和均匀，改善条子的内部结构。从而使条子的长片
段均匀化和重量不匀率降低，让条子中的纤维能够平行伸直，尽量减少弯钩化的存在，
使条子的细度符合要求,并且达到规定的混和比。棉纺并条机按眼数可分成单眼、两眼、
四眼等多种类型。单眼并条机是指把多根条子喂入、并合和牵伸后输出一根条子的；两
眼并条机是输出两根条子的，其余的依次类推。并条机的结构大致由喂入部分、牵伸部
分、成条部分和一些自动装置（自动换桶、清洁）等组成。
在我国，并条机的研发比国外起步晚，虽然经过几十年的发展，国产并条机的质量
有了很大程度上的提升，但是并条机的很多关键技术仍处于起步阶段，相比国外并条机
技术仍有较大差距，如国产并条机棉条成条的均匀度控制技术、罗拉牵伸结构仍有很大
提升空间。
作为机械电子专业的学生，并条机的设计研发工作涉及机械和电子领域，可以围绕
并条机并合、牵伸、混合和成条的成套工艺流程控制棉条成条的均匀度为控制目标，在
机电一体化产品概念设计理念下，利用本科阶段所学的UG NX、TIA Portal等软件对并条
机原型机某些部分结构重新设计和改进，最后通过西门子OPC-UA通讯总线对NX MCD模型
进行数字孪生设计与调试。自己可以通过这次选题，以并条机为研究对象，了解到机电
联合仿真相比传统图纸设计的优势所在：打破了传统的机械、电气、自动化的串行设
计，将机械、电气等多个学科集成在同一平台，通过统一的数字化模型解决了多学科之
间的协同问题，提升了产品开发和优化的迭代循环效率
目 录
第一章 绪论.......................................................................................................................... 1
1.1 课题的背景与意义................................................................................................ 1
1.2 课题所运用的软件与技术方法............................................................................ 1
1.2.1 NX MCD模块简介........................................................................................ 1
1.2.2 TIA Portal软件简介................................................................................ 2
1.2.3 数字孪生技术简介.................................................................................... 2
1.3 课题设计思路流程................................................................................................ 3
1.4 论文的主要内容.................................................................................................... 3
第二章 基于NX的并条机系统设计及结构创新.................................................................. 5
2.1 设计规格................................................................................................................ 5
2.1.1 眼数............................................................................................................ 5
2.1.2 眼距............................................................................................................ 5
2.1.3 喂入并和数................................................................................................ 5
2.1.4 喂入棉条桶尺寸........................................................................................ 5
2.1.5 输出条桶尺寸............................................................................................ 5
2.2 并条机结构............................................................................................................ 5
2.3 主要结构介绍........................................................................................................ 6
2.3.1 机架部分.................................................................................................... 6
2.3.2 吸棉箱........................................................................................................ 7
2.3.3 导条架........................................................................................................ 7
2.4 结构创新设计........................................................................................................ 8
第三章 基于NX MCD的并条机内部仿真环境搭建.............................................................. 9
3.1 并条机的三维模型创建........................................................................................ 9
3.2 NX MCD中基本机电对象的创建............................................................................ 9
3.2.1 创建刚体.................................................................................................... 9
3.2.2 创建碰撞体.............................................................................................. 11
3.2.3 创建传输面.............................................................................................. 11
3.2.4 创建对象源.............................................................................................. 12
3.2.5 创建碰撞传感器...................................................................................... 13
3.2.6 创建对象变换器...................................................................................... 14
3.3 NX MCD中运动仿真的创建.................................................................................. 15
3.3.1 创建铰链副.............................................................................................. 15
3.3.2 创建固定副.............................................................................................. 17
3.3.3 创建速度控制........................................................................................ 17
3.3.4 创建速度传感器...................................................................................... 19
3.3.5 创建显示更改器...................................................................................... 20
3.4 NX MCD中仿真过程控制的创建.......................................................................... 20
3.4.1 创建信号.................................................................................................. 21
3.4.2 创建仿真序列.......................................................................................... 22
第四章 并条机PLC控制程序及触摸屏画面设计.............................................................. 26
4.1 PLC控制程序总体设计........................................................................................ 26
4.1.1 PLC默认变量表........................................................................................ 26
4.1.2 启动与停止功能程序设计...................................................................... 27
4.1.3 出条和断条监控功能程序设计.............................................................. 30
4.1.4 故障检测程序设计.................................................................................. 31
4.2 触摸屏界面设计.................................................................................................. 34
4.2.1 主界面设计.............................................................................................. 34
4.2.2 运行监控画面设计.................................................................................. 34
4.2.3 触摸屏变量表.......................................................................................... 35
第五章 TIA 与NX MCD联合仿真调试................................................................................ 36
5.1 通信环境搭建基本思路...................................................................................... 36
5.2 PLCSIM Advanced 配置...................................................................................... 36
5.3 建立外部信号配置.............................................................................................. 39
5.4 建立信号映射.................................................................................................... 39
5.5 开始仿真验证...................................................................................................... 41
5.5.1 启动与停止功能验证.............................................................................. 41
5.5.2 并条与断条功能检测.............................................................................. 44
5.5.3 故障检测功能验证.................................................................................. 46
结论...................................................................................................................................... 48
致谢...................................................................................................................................... 49
参考文献.............................................................................................................................. 50
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