4. 产线对象建模
虚拟调试的核心不是“把程序跑起来”，而是让PLC程序面对一个与真实产线行为一致的虚拟对象。对象建模的质量，直接决定后续信号联调、节拍验证和故障注入是否可信。本节围绕一条典型的三菱iQ-F控制产线，说明输送线、分拣站、加工工位、机械手与传感器这五类对象在虚拟环境中如何映射为可被PLC读写、可随时间变化、可产生状态迁移的模型。
一、映射的基本约定：先定坐标与信号方向
在建模之前必须先固定参照系，否则后续所有位置、方向和信号都会产生歧义。本课程统一约定：以产线物料流动方向为X轴正方向，操作者面向产线时左手侧为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向。输送线入口为X=0，出口为X=L。所有“到位”“越限”“夹紧”等信号，均以传感器检测面朝向工件为触发方向。
映射的本质是把物理对象拆成三类可计算元素：几何体（位置、尺寸、运动范围）、状态量（位置、速度、开合、工件存在与否）、信号接口（与PLC的I/O地址一一对应）。虚拟环境中每个对象都应有独立的位号，例如输送线CV01、分拣站ST02、加工工位MC03、机械手RB04，传感器则按“对象+功能+序号”命名，如CV01-PE01表示输送线入口光电。
二、输送线：把连续运动离散为可检测的位置事件
输送线在虚拟环境中通常不需要逐段建模皮带，而是建模为“传送面+驱动+检测点”。传送面用一条带方向的矩形表示，驱动用速度参数v（示例取0.2 m/s）和启停信号控制。工件在传送面上的位置x(t)按x(t)=x₀+v·t累积，当工件前端到达某个检测点坐标时，对应传感器置位。
关键映射点是：PLC并不关心工件在皮带上的连续坐标，只关心“入口有无”“中段有无”“出口有无”三个离散事件。因此虚拟输送线应把连续位移转换为位置比较结果，再映射到X输入点。例如CV01-PE01对应X10，检测坐标x=0.05 m；CV01-PE02对应X11，检测坐标x=0.60 m；CV01-PE03对应X12，检测坐标x=1.15 m。当工件前端坐标进入检测点±0.02 m窗口时，X点置1，离开窗口后复位。这样PLC程序中的到位判断逻辑与真实产线一致。
三、分拣站：气缸动作与工件流向的因果链
分拣站一般由挡停气缸、推料气缸和分流滑道组成。虚拟建模时，挡停气缸用两个极限位置表示：伸出位阻挡工件，缩回位放行。推料气缸同样用伸出/缩回两个状态，伸出时把工件推入分流滑道。PLC输出Y点驱动气缸，气缸位置反馈用磁性开关映射到X点。
这里必须建立“输出→动作→位置→传感器→输入”的完整因果链，而不是只做输出到输入的直通。例如Y20=1驱动挡停气缸伸出，虚拟模型经过0.3 s动作时间后到达伸出位，此时挡停磁性开关X13=1；若0.5 s内未到位，则产生“挡停超时”故障位。推料动作同理，Y21=1后0.4 s内X14应置1。分拣站的分流结果由工件当前坐标与推料动作是否发生共同决定：若推料发生在工件位于推料工位窗口内，则工件Y坐标改变，进入分流滑道；否则工件继续沿主输送线前进。
四、加工工位：把工艺时间与联锁条件显式化
加工工位在虚拟环境中通常表现为“工件到位→夹紧→加工→松开→放行”的状态序列。建模时不要只用一个延时表示加工，而应把夹紧确认、加工进行、加工完成三个状态分开。示例参数：夹紧气缸动作0.4 s，夹紧确认X15；加工时间2.5 s，加工中Y22=1；加工完成X16=1。PLC只有在X15=1且工件存在时才允许启动加工，这就是联锁条件。
虚拟模型应支持“加工中工件被移走”这类异常：若加工过程中工件存在信号丢失，则立即置加工异常位，并停止加工输出。这种异常在真实产线中可能由夹紧失效或传感器抖动引起，虚拟调试阶段提前暴露，可以避免现场调试时才发现联锁漏洞。
五、机械手与传感器：位姿、抓取与信号时序
机械手建模的重点是位姿序列和抓取状态。以四轴机械手为例，虚拟模型至少需要原点位、取件位、放件位三个位姿，以及夹爪开/合两个状态。PLC通过Y点选择目标位姿，机械手模型按设定速度运动，到达后置位“到位”X点。抓取成功与否由“夹爪闭合时工件存在”共同判断，而不是只看夹爪闭合信号。
传感器建模要区分类型：光电传感器输出开关量，接近开关输出开关量但检测距离更短，编码器输出脉冲或位置值。虚拟环境中，光电和接近开关用“检测窗口+置位/复位”实现，编码器则用累计脉冲数映射到寄存器。所有传感器都应设置合理的响应时间和抖动抑制，例如光电信号需连续保持20 ms才确认，避免虚拟模型中产生真实设备不会出现的窄脉冲。
六、建模成果的检查要点
完成上述映射后，建议用一份简短的检查表确认模型是否可用。检查项包括：每个物理对象是否有唯一位号；每个传感器是否对应唯一X地址且检测窗口明确；每个执行器是否经过“输出→动作时间→位置反馈→输入”的完整链路；是否存在至少一个超时或异常分支；工件存在信号是否在所有工位保持一致语义。若这些条件都满足，虚拟对象就具备了与PLC程序联调的基础。
最后需要强调，虚拟对象模型不是一次建完就固定不变的。随着调试深入，可能需要补充新的传感器、调整动作时间或增加异常分支。因此模型应保持参数化：速度、动作时间、检测坐标、超时阈值都应以变量形式集中管理，便于在联调阶段快速修改并复现不同工况。