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摘要：本文探討了羅克韋爾數字化仿真平臺軟件Emulate3D在海外大型自動化立體庫升級改造項目中的應用。通過搭建仿真調試平臺，實現了系統建模與仿真技術的結合，極大地方便了工控人員的調試工作。項目通過仿真平臺縮短了調試周期、節約了場地成本、降低了人員勞動強度，提高了經濟效益，并作為數字化沙盤交付客戶，驗證了虛擬調試平臺在高階虛擬調試場景中的價值和可行性。

關鍵詞：數字化虛擬調試平臺；Emulate3D；自動化立體庫

作者：張劼鵬 劉鵬

羅克韋爾自動化有限公司

近年來，隨著市場對物流速度和效率的需求不斷提高，大型自動化、智能化立體倉庫越來越受到制造企業和物流企業的重視。

一個大型的自動化立體倉庫往往涉及多種物流子系統，如自動化存儲系統、自動引導系統、軌道車系統、自動輸送線系統、分揀系統以及機器人系統。這其中還包含多種作業，如堆垛機作業、AGV路徑規劃、RGV調度作業、輸送線控制以及物流信息和上層軟件數據庫信息交互等。所以，自動化立體倉庫是一個帶有隨機性、動態性、多因素、多目標的復雜系統，其規劃、設計、建設會面臨一系列問題，如管控軟件WCS或WMS中對自動化立體庫的儲位分配和貨物調度最優化等問題都存在一定困難和挑戰。此外，對于帶有定制性的復雜自動化立體倉庫系統，工控人員怎么快速地編制和測試PLC控制程序也是自動化立體倉庫快速建設的關鍵問題。

本文利用羅克韋爾的數字化仿真平臺軟件Emulate3D搭建WCS/WMS和PLC仿真調試平臺，將系統建模和現代仿真技術運用到其中，為WCS/WMS軟件中的優化提供科學、合理的決策依據；同時，也利用Emulate3D封裝過的模型代替實物設備，將為工控人員調試帶來極大的便利。

一

技術、經濟效益分析

1.技術場景價值

本項目中，利用仿真軟件搭建仿真調試平臺過程中會運用到3D模型場景搭建、動作封裝、圖形化腳本編制等建模方法。此外，項目還建立了上層軟件和下位機PLC軟件以及仿真軟件信息交互的接口和框架，能夠為今后新項目實施提供技術基礎，實現了組件庫和工作流程的標準化，后續類似場景的開發將會更加快速和便捷。項目完成后，仿真平臺Emulate3D軟件和相關模型作為數字化交付的主體，同步交付給終端客戶。作為未來優化和智能排產的數字化測試沙盤，提高了數字資產的增益價值。

2.經濟效益分析

在以往或者傳統自動化立體倉庫研發和建設中，工控人員和軟件人員通常的做法是在公司完成程序的初步編制，隨后在實施工廠進行程序的測試和調試，這當中會導致一些問題：如實地測試和調試時設備會占用客戶的場地，影響客戶工廠的正常生產；實地測試的環境差、測試效率低，將拖慢施工期，產生很高的時間成本，進而推高人力成本。此外，實地測試和調試會造成公司人員大量、長時間出差現象，實施工廠環境差會一定程度上降低調試人員的效率。本項目研發的仿真調試系統能夠為工控人員和軟件人員提供測試和調試數字化沙盤以及虛擬場景，能夠實現提前測試、并行測試以及集成測試的目的，能夠縮短調試周期、節約場地成本、降低實施人員勞動強度，提高經濟效益。

二

虛擬調試場景說明

本文選用國內某物流系統集成商的海外大型自動化立體庫升級改造項目為對象進行場景落地，該場景是一個典型的自動化立體倉庫升級改造項目，包含堆垛機、輸送線設備、拆/碼盤機、提升機等常用設備，場景對于該集成商后續類似的項目都有借鑒和參考價值，同時按照改造項目的模式進行虛擬調試，即在原有現場PLC系統和WCS上進行升級和改造（WCS和部分PLC程序是現有的）。該項目已于2024年投產并且穩定運行。

三

研發環境搭建

1.軟件和硬件配備（見表1）

表1 軟件和硬件配置表

2.人員配置（見表2）

表2 人員配置表

四

系統框架說明

自動化立體庫控制層主要由Emulate3D中SRM控制輸送系統與輸送線組成。SRM控制輸送系統模型動作控制完全封裝在Emulate3D 模型中，PLC只需負責控制輸送線模型相關的輸送動作。

圖1 控制邏輯架構圖

PLC控制輸送線模型運動機制為：WCS、PLC、輸送線模型之間通過WCS-PLC接口和PLC-仿真模型接口進行數據交互，三者關系如圖1。WCS下發控制輸送線貨物流向的指令給PLC，然后PLC下發動作的起/停等指令給輸送線等執行機構模型，控制輸送線和各個模型完成動作，同時模型上的傳感器會反饋動作執行情況給PLC。

1.WCS-PLC 接口

WCS通過PLC通訊協議周期性掃描在雙方約定相應PLC地址進行數據交互，從而實現入庫流程指令的下發和輸送線狀態的向上反饋。這部分在已投產的自動化立體庫已經實現，PLC測試版本中不需要再實現。

2.PLC-仿真模型接口

模型通過Emulate3D自帶的PLC通訊協議與PLC數據交互。具體過程為：封裝后的仿真平臺模型動作可以通過幾個仿真平臺變量進行控制，仿真平臺變量與PLC變量綁定，然后利用通訊協議實現同步。因此，PLC程序只需改變綁定的PLC變量值，即可改變相應仿真平臺變量的值，也就實現了對仿真平臺模型的運動控制（如圖2）。

圖2 IO通訊協議和標簽控制器

（1）接口說明

WCS調試為了盡可能還原自動化立體庫WCS與下層設備（堆垛機、輸送線、PLC等）的通訊接口，在輸送線部分也使用PLC的地址作為信息通訊的接口，而在Emulate3D中SRM模型的堆垛機部分使用Telegram報文協議進行信息的交換。使用PLC的地址作為信息通訊接口在前文已經詳細描述，這里不在贅述。

SRM控制器內部邏輯通過QuickLogic圖形化開發語言進行配置，實現控制指令的接受和動作執行（如圖3）。

圖3 QuickLogic圖形化編程語言

為了提高虛擬調試的效率和邏輯搭建速度，本次采用了Emulate3D中的新功能Wiring Diagram（接線圖）開發方式，該工作流程專為電控虛擬調試場景開發，通過工程實踐，縮短了自動化工程師在仿真平臺中搭建模型邏輯的周期，降低開發過程中的軟件學習成本（如圖4）。

圖4 Wiring Diagram開發方式

在Emulate3D平臺中Telegram報文協議的配置以往需要通過C#來進行編寫，本次采用了最新的Telegram報文協議編輯器，替代了過去的代碼編寫過程，提高了開發效率，降低了開發難度（如圖5）。

圖5 Telegram報文格式編輯器

（2）場景建模

通過直接調用Emulate3D中的自動化立體庫、線體、堆高機、AGV等模型庫在Unreal開發引擎模式下快速快速完成場景的搭建和參數化設計（如圖6）。

圖6 場景概覽

五

調試設計過程說明

1.PLC調試內容

PLC調試版本的設計框架如圖7，在數據交互方式上，絕大數自助設計控制的設備模型是WCS 系統通過通訊協議控制PLC，仿真模型通過PLC-仿真模型接口也就是Emulate3D變量綁定進行對PLC 進行控制。而少數設備如堆垛機（隸屬于SRM控制輸送系統）模型是通過Telegram報文信息交換，PLC不對其進行動作控制。在控制模式上，輸送線絕大部分設備模型都是WCS下發任務指令給PLC，PLC中的動作控制程序根據指令再發送動作指令給模型，驅動模型進行相應的動作。

圖7 PLC調試內容系統架構

2.WCS調試內容

WCS調試版本的設計框架如圖8，在數據交互方式上，WCS調試版本和PLC調試版本基本一致。但在控制模式上有比較大的差異，在PLC調試版本中，WCS下發的指令由仿真模型動作控制腳本程序解析（QuickLogic），再驅動模型實現相應動作，PLC在其中只起到數據交互通道的作用，不需要對PLC進行邏輯編程。

圖8 WCS調試內容系統架構

六

總結

從項目立項開始實施以來，該場景在Emulate3D中完成了所有設備的仿真模型搭建、通訊接口設計、PLC調試版本和WCS調試版本的構建和測試，圓滿達成了項目的預期目標。同時縮短了項目實施周期，降低了人員現場調試費用。最終，該場景作為數字化沙盤交付給客戶，并作為常規的系統測試工具驗證了數字化虛擬調試平臺在高階虛擬調試場景中的價值和落地的可行性。

———— 物流技術與應用 ————

編輯、排版：王茜

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