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Cómo configurar la puesta en marcha virtual con Hardware-in-the-Loop (HiL) en SIMATIC y SIMOTION

Para configurar una arquitectura de puesta en marcha virtual de tipo Hardware-in-the-Loop (HiL) utilizando controladores Siemens SIMATIC o SIMOTION, se debe acoplar el autómata físico a la plataforma de simulación SIMIT a través de una SIMIT Unit (anteriormente conocida como emuladora de bus Simit Unit/PRONETA) y conectar la lógica de proceso con el modelo dinámico 3D en NX Mechatronics Concept Designer (MCD). En este entorno HiL, la CPU física ejecuta el programa de usuario en tiempo real mientras intercambia señales de bus de campo (PROFINET o PROFIBUS) con la SIMIT Unit, la cual emula la periferia descentralizada y transmite las variables cinemáticas hacia MCD.

Tabla de contenido

Causa técnica: diferencia entre arquitecturas HiL y SiL

La puesta en marcha virtual de maquinaria e instalaciones industriales permite validar la lógica del PLC, la cinemática de los ejes y las secuencias de interbloqueo antes de la fase de montaje físico. Existen dos métodos principales para acoplar la simulación:

  1. Software-in-the-Loop (SiL): El programa de control se ejecuta de forma virtual dentro de un emulador de CPU (como SIMIT S7-PLCSIM Advanced). No se requiere ningún hardware de control físico. Es el método recomendado para validaciones en fases tempranas de desarrollo con controladores SIMATIC S7-1500.
  2. Hardware-in-the-Loop (HiL): El programa de control se ejecuta directamente en el controlador físico (SIMATIC S7-1500 o SIMOTION D/C/P). La CPU física transmite sus tramas de bus de campo (PROFINET IO o PROFIBUS DP) hacia un dispositivo de acoplamiento por hardware denominado SIMIT Unit. La SIMIT Unit intercepta las señales I/O, simula las respuestas de los accionamientos y sensores en tiempo real mediante SIMIT, y sincroniza las variables físicas con la representación cad/cinemática en NX Mechatronics Concept Designer (MCD).

El método HiL es indispensable cuando se requiere verificar el comportamiento exacto del firmware de la CPU, las interfaces físicas de comunicación, los tiempos de ciclo de bus deterministas o cuando se utilizan controladores SIMOTION cuya arquitectura de tiempo real exige la presencia de la unidad de control física.

Requisitos previos

Para implementar una plataforma de simulación HiL con controladores Siemens, asegúrese de contar con los siguientes elementos:

  • Controlador físico: CPU SIMATIC S7-1500 o controlador de movimiento SIMOTION (por ejemplo, SIMOTION D4x5-2).
  • Hardware de simulación: Dispositivo SIMIT Unit (con tarjeta de interfaz PROFIBUS DP o PROFINET IO) configurado en el mismo segmento de red física que la CPU.

  • Software de ingeniería:

    • TIA Portal (STEP 7 Professional) o SIMOTION SCOUT para la configuración de hardware y programación de la CPU.
    • Software de simulación SIMIT (versión V9.1 o superior).
    • Software NX Mechatronics Concept Designer (MCD) para la modelación 3D y física.
    • Archivos de proyecto: Proyecto de ingeniería compilado con la configuración de red y la asignación de direcciones de entrada/salida.

Procedimiento de configuración para puesta en marcha virtual HiL

Siga este procedimiento paso a paso para establecer el canal de comunicación entre el controlador físico, la SIMIT Unit, el modelo de SIMIT y la escena en NX MCD.

1. Configuración del hardware y la red en el entorno de ingeniería (TIA Portal / SCOUT)

  1. En la herramienta de desarrollo (TIA Portal o SCOUT), abra el proyecto del controlador (SIMATIC S7-1500 o SIMOTION).
  2. Configure los parámetros de red del puerto PROFINET/PROFIBUS del controlador asignando una dirección IP estática y un nombre de dispositivo (Name of Station).
  3. Exporte la configuración de hardware del proyecto hacia un archivo de intercambio de acoplamiento (por ejemplo, exportación de variables I/O o archivo .oms / .xml).
  4. Descargue el programa de usuario y la configuración de hardware directamente a la CPU física de prueba.

2. Configuración de la SIMIT Unit y el modelo en SIMIT

  1. Abra SIMIT y cree un nuevo proyecto de simulación.
  2. En el árbol de navegación del proyecto SIMIT, agregue un nuevo acoplamiento (Coupling) seleccionando la categoría SIMIT Unit.
  3. Importe el archivo de datos de configuración de hardware exportado desde TIA Portal / SCOUT para mapear automáticamente la tabla de direcciones de entrada y salida del PLC.
  4. Asigne la dirección IP física de la SIMIT Unit en las propiedades del acoplamiento para sincronizar el canal de bus de campo.
  5. Modele el comportamiento de los actuadores y sensores en SIMIT (por ejemplo, comportamientos de válvulas, respuestas de finales de carrera o bloques de accionamiento).

3. Vinculación cinemática con NX Mechatronics Concept Designer (MCD)

  1. Abra el modelo 3D de la máquina en NX MCD y defina los cuerpos rígidos, las articulaciones físicas y los transmisores de posición.
  2. Establezca las señales I/O de MCD (Signal Mapping) asociando cada variable del modelo CAD con el correspondiente parámetro de la SIMIT Unit / SIMIT.
  3. En SIMIT, agregue y configure el acoplamiento directo hacia MCD (MCD Coupling).
  4. Sincronice el reloj de ejecución de SIMIT con el motor de física de NX MCD.

Resultado esperado: Al poner la CPU física en modo RUN e iniciar la simulación en SIMIT y MCD, las salidas activadas por el programa de usuario en el PLC físico se transmiten a través de la SIMIT Unit hacia MCD, provocando el movimiento tridimensional de la máquina en pantalla y devolviendo las señales de los sensores virtuales al PLC en tiempo real.

Integración de controladores SIMATIC S7-1500 frente a SIMOTION

Aunque el flujo de trabajo conceptual de Puesta en Marcha Virtual HiL es idéntico para ambas plataformas de control, existen diferencias operativas clave en su implementación:

Plaintext

Entorno HiL SIMATIC S7-1500:
[ CPU S7-1500 Física ] <---PROFINET---> [ SIMIT Unit ] <---> [ SIMIT ] <---> [ NX MCD (3D) ]

Entorno HiL SIMOTION:
[ CPU SIMOTION Física ] <---PROFIBUS/PN---> [ SIMIT Unit ] <---> [ SIMIT ] <---> [ NX MCD (3D) ]
  • Proyectos de referencia y plantillas: Siemens proporciona ejemplos de aplicación específicos en su portal de soporte. Mientras que para controladores SIMOTION existen proyectos de demostración integrados con hardware en el bucle, para SIMATIC S7-1500 el usuario debe estructurar el proyecto de acoplamiento importando los datos de HW Config directamente en SIMIT.
  • Recomendación arquitectónica: Si la aplicación utiliza controladores SIMATIC S7-1500 y no requiere validar componentes de hardware físicos específicos, Siemens recomienda sustituir el esquema HiL por un esquema Software-in-the-Loop (SiL) utilizando S7-PLCSIM Advanced. La arquitectura SiL elimina la necesidad de contar con la SIMIT Unit física, permitiendo una simulación 100% por software con tiempos de ejecución coordinados mediante APIs.

Verificación

La configuración de la puesta en marcha virtual Hardware-in-the-Loop se considera exitosa cuando:

  • La SIMIT Unit establece el enlace de red con la CPU física, apaga sus LEDs de fallo de bus (BUS FAULT) y mantiene el indicador de estado en comunicación activa.
  • La tabla de variables en SIMIT refleja las salidas emitidas por el PLC en tiempo real.
  • Al manipular manualmente un componente en el modelo 3D de NX MCD, la señal del sensor correspondiente cambia de estado en la tabla de entradas del PLC físico.
  • El programa de control en el PLC se ejecuta sin registrar errores de periferia o fallos de acceso a E/S en su búfer de diagnóstico.

Limitaciones y precauciones operativas

  • Límites de tiempo de ciclo en HiL: La velocidad de refresco de la simulación depende del rendimiento de la red física y de la capacidad de procesamiento de la máquina de simulación que ejecuta NX MCD y SIMIT. Tiempos de ciclo extremadamente cortos en la CPU pueden requerir el ajuste de los parámetros de supervisión de tiempo de respuesta de bus para evitar falsos disparos por fallo de periferia.
  • Incompatibilidad de señales analógicas no mapeadas: Cualquier dirección de E/S configurada en el PLC físico que no esté correctamente declarada dentro de la SIMIT Unit provocará una alarma de fallo de lectura/escritura de módulo en el controlador.

Preguntas frecuentes para ingenieros

¿Se requiere obligatoriamente una SIMIT Unit para hacer simulación HiL con un SIMATIC S7-1500?

Sí. En una arquitectura de hardware en el bucle (HiL), la CPU física intenta comunicarse con dispositivos I/O reales a través de su puerto de red. La SIMIT Unit es el hardware emulador que se conecta a dicho puerto para responder a las tramas de bus de campo de la CPU. Si no se dispone de una SIMIT Unit, se debe migrar a un esquema SiL (Software-in-the-Loop) mediante el emulador de software S7-PLCSIM Advanced.

¿Se puede utilizar S7-PLCSIM Advanced para realizar validaciones HiL?

No. S7-PLCSIM Advanced es un simulador basado exclusivamente en software (SiL). Sin embargo, reemplaza de manera transparente la necesidad del equipo HiL en proyectos con CPU SIMATIC S7-1500, permitiendo acoplar la CPU virtual directamente a SIMIT y NX MCD sin usar una SIMIT Unit ni un PLC físico.

¿Es posible realizar puesta en marcha virtual HiL con controladores SIMOTION?

Sí. El entorno SIMOTION admite la simulación HiL conectando la unidad física SIMOTION a una SIMIT Unit configurada con interfaz PROFIBUS DP o PROFINET IO, permitiendo validar el control de movimiento multicadena junto con el modelo dinámico en SIMIT y MCD.

Referencias técnicas

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