基于UG TIA Portal MCD并条机仿真系统设计与PLC触摸屏组态虚拟调试
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）。
Simulation system design and virtual debugging of drawing frame based on NX MCD
Abstract：Based on the digital twin technology, this topic comprehensively uses NX and TIA Portal and other software to innovate the structure of drawing frame’s Outlet sliver device and write the PLC control program and design the touch screen which is widely used in the cotton textile industry,then carrying out the virtual simulation of NX MCD and TIA.According to the model of JWF1312B-SM model drawing frame, this paper firstly use NX to innovate structure and model the 3D model of drawing frame,and set the electronic and mechanical objects and motion simulation of drawing frame through NX MCD.Secondly TIA Portal chooses S7-1500 model to write the PLC program and chooses TP700 Comfort model to design touch screen,then using PLCSIM Adv to build communication environment between NX MCD and TIA,and build signal mapping between MCD internal signals and PLC external signals,and finally successfully verifying the functions of drawing frame through controlling touch screen ,which including the function of starting and stopping,running motoring and fault detecting .
Key words：NX MCD；TIA Portal；PLC； drawing frame；digital twin technology
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
1.2.1 NX MCD模块简介
1.2.2 TIA Portal软件简介
1.2.3 数字孪生技术简介
1.3 课题设计思路流程
1.4 论文的主要内容
第二章 基于NX的并条机系统设计及结构创新
2.1 设计规格
2.1.1 眼数
2.1.2 眼距
2.1.3 喂入并和数
2.1.4 喂入棉条桶尺寸
2.1.5 输出条桶尺寸
2.2 并条机结构
2.3 主要结构介绍
2.3.1 机架部分
2.3.2 吸棉箱
2.3.3 导条架
2.4 结构创新设计
第三章 基于NX MCD的并条机内部仿真环境搭建
3.1 并条机的三维模型创建
3.2 NX MCD中基本机电对象的创建
3.2.1 创建刚体
3.2.2 创建碰撞体
3.2.4 创建对象源
3.2.5 创建碰撞传感器
3.2.6 创建对象变换器
3.3 NX MCD中运动仿真的创建
3.3.1 创建铰链副
3.3.2 创建固定副
3.3.3 创建速度控制
3.3.4 创建速度传感器
3.3.5 创建显示更改器
3.4 NX MCD中仿真过程控制的创建
3.4.1 创建信号
3.4.2 创建仿真序列
第四章 并条机PLC控制程序及触摸屏画面设计
4.1 PLC控制程序总体设计
4.1.1 PLC默认变量表
4.1.2 启动与停止功能程序设计
4.1.3 出条和断条监控功能程序设计
4.1.4 故障检测程序设计
4.2 触摸屏界面设计
4.2.1主界面设计
4.2.2 运行监控画面设计
4.2.3 触摸屏变量表
第五章 TIA 与NX MCD联合仿真调试
5.1 通信环境搭建基本思路
5.2 PLCSIM Advanced 配置
5.3 建立外部信号配置
5.4 建立信号映射
5.5 开始仿真验证
5.5.1 启动与停止功能验证
5.5.2 并条与断条功能检测
5.5.3 故障检测功能验证
结论
致谢
参考文献
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。
1.2 课题所运用的软件与技术方法
1.2.1 NX MCD模块简介
NX MCD 是Mechatronics Concept Designer的缩写，即西门子机电一体化产品概念设计。机电一体化概念设计解决方案（MCD）将机械自动化与电气和软件结合起来，组包括机械、机电、传感器、驱动等多个领域部件的概念设计，工程师们可用于新产品集成管理、机械设计、电气、自动化等专业概念的3D建模和仿真，提供了机电设备设计过程
中硬件在环境中仿真调试，通过虚拟设备与PLC连接，对产品可靠性进行虚拟调试。 MCD可加快机械、电气和软件设计等学科产品的开发速度，是工作领域中不可或缺的工具。设计迭代产生的误差进一步降低，成为一个综合各学科领域的研发平台。
NX MCD具有如下优点：
1）采用功能模块化的设计原则，以功能设计为驱动，在强化交叉学科间协作的同时，也连接了客户的实际需求和方便各种数据的管理。
2）提供不同功能单元库的创建、验证及维护等知识管理机制，这些单元包含多种设备的数据，如传感器、驱动装置及凸轮等。这为概念设计提供了嵌入数据的既有功能单元和机电一体化对象。
3）建模功能简单易用，用户可在设计过程中随时运行仿真，并在仿真与机电概念设计中交互操作。
4）提供涵盖多领域协作开发与设计的环境，诸如机械、电气、自动化、液压与气动等领域，能够增强不同领域设计人员之间的交流，并且大大缩短了产品的开发时间。
1.2.2 TIA Portal软件简介
博途软件是德国西门子公司将工程组态和软件项目环境相统一的自动化软件，用户可在统一环境中组态西门子的所有可编程控制器、驱动装置和HMI界面，通过在控制器、驱动装置和人机界面间建立起通信实时共享任务，可大大降低连接和组态成本，几乎适用于所有自动化任务。工程师可以借助TIA Portal软件能够快速、直观地开发和调试自动化系统。
1.2.3 数字孪生技术简介
数字孪生（Digital Twin,DT）是基于工业生产数字化的新概念，他的准确表述还在发展与演变中，但其含义已在行业内达成了基本共识，即在数字虚拟空间中，用数字化方式为物理对象创建虚拟模型，在物理空间模拟中实体在现实环境中的行为特征，从而达到“虚-实”之间的精确映射，最终能够在实践中的开发、测试、工艺及运行维护等方面打破现实与虚拟之间的界限，实现产品在生命周期内的生产、管理、连接等个高度数字化及模块化的新技术。
1.3 课题设计思路流程
本课题对并条机进行数字孪生设计与调试的大致思路流程如下：
1)定义设计需求：①搜集设计需求；②归纳设计需求；③添加并设计各个需求的详细信息。
2)在NX软件里面进入建模模块创建模型：①定义系统的基本功能；②基于功能分解，进行分层处理；③为功能设计建立可选项；④建立可重用的功能单元；⑤添加参数化表达功能单元的输出和需求的必要条件。
3)进入NX MCD模块定义机电概念：①草拟机器的基本外观；②为功能单元分配机械对象；③添加运动学和动力学条件。
4)添加基本的物理学约束和信号：①添加基本的物理学速度约束和位置执行器；②添加信号适配器；③分配信号适配器对象。
5)定义时间顺序的执行序列：①定义执行器操作控制源；②设计基于时间的执行序列；③为相应的功能树分配执行操作。
6）添加传感器，用于触发系统中各个带有传感对象组件的碰撞事件，或者被设定为信号适配的传感器。
7）定义基于操作的事件：①定义能够被事件触发的操作，触发条件可以是传感器或者机电系统中的其他对象，如执行器是否到达了某个位置等；②为功能树中相关的功能分配操作。
8）对模型外观进行着色美观处理。
9）进入TIA Portal编写相应的PLC控制程序以及设计相应的HMI画面。
10）通过OPC连接来测试PLC程序的功能。
1.4 论文的主要内容
本文主要开展了并条机的机械结构创新以及PLC控制程序设计、触摸屏界面设计、PLC 程序仿真，MCD内部环境搭建、MCD与TIA通信环境搭建，MCD与TIA机电联合仿真这六部分工作。
并条机的机械结构设计包括对出条装置的创新设计。
并条机采用西门子 PLC 控制运行，使用触摸屏型号 TP700 Comfort 实现人机交互。PLC 程序主要包括启动与停止、出条与断条信号检测、故障检测三部分功能。触摸屏界面主要设计了两个界面（主界面以及运行监控界面）。MCD内部环境搭建主要包括并条机在 MCD 环境中的刚体与约束创建，碰撞体与传感器创建，传感器信号添加、速度控制、位置控制创建，仿真序列创建等一系列机电概念的添加。
MCD 与 TIA 通信环境搭建主要使用 PLCSIM Adv 完成。
机电联合仿真包括PLC 信号配置与 MCD 信号映射，验证并条机启动与停止功能、故障检测功能的仿真。
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