王敬沖， 王大虎， 劉海洋

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作454003)

0 引 言

可編程程序控制器(PLC)已經(jīng)成為高校中自動化、應(yīng)用電子電器、機電一體化等專業(yè)的核心專業(yè)課之一。由于PLC 的工程實踐性較強，實驗教學(xué)在高校PLC 課程中承擔著非常重要的作用，PLC 實驗教學(xué)實際上是學(xué)生將課堂上學(xué)到的理論知識轉(zhuǎn)化為實際控制的動手過程，同時在實驗中培養(yǎng)解決實際問題的能力［1］。

目前PLC 傳統(tǒng)實驗室教學(xué)主要有以下3 種:①學(xué)生在電腦上通過編程軟件編輯好梯形圖程序后，下載到只有硬件的PLC 中運行，然后通過觀察PLC 輸出點指示燈狀態(tài)來判斷程序是否達到控制要求。由于沒有實際的控制對象，學(xué)生只能進行簡單調(diào)試性實驗，沒有實際對象的控制和連接過程。②建立簡單模擬實際的實驗室，學(xué)校根據(jù)本校實際課程安排，選出幾種典型PLC 實驗，如實現(xiàn)人工噴泉、交通燈、電機正反轉(zhuǎn)等典型PLC 實驗的功能。這種簡單實驗教學(xué)方式與實際工程聯(lián)系不夠緊密，沒有形成一個完整的工業(yè)系統(tǒng)。③由各大PLC 公司聯(lián)合高校推出綜合性實驗平臺，它的控制模式多種多樣，各種設(shè)備以及實驗內(nèi)容較為齊全。但這種投入的資金較大，而且在設(shè)備使用中會帶來材料的損耗，設(shè)備的維護較為復(fù)雜［2］。

針對上述PLC 傳統(tǒng)實驗室教學(xué)存在的問題，本文設(shè)計了基于Quest3D 的PLC 配料虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)提出基于虛擬傳感器(與PLC 之間的反饋輸入)和虛擬執(zhí)行器(用于操作和控制設(shè)備)的虛擬設(shè)備，通過三維場景建立、三維動畫驅(qū)動、通信接口設(shè)計等技術(shù)，可以提供學(xué)員沉浸感較強的虛擬配料PLC 培訓(xùn)系統(tǒng)，讓學(xué)員能夠近似真實地處理各種類型的設(shè)備［3-4］。

1 虛擬配料系統(tǒng)總體設(shè)計

針對PLC 教學(xué)實驗的特點，系統(tǒng)在PLC 程序運行后，需要實時地驗證各種虛擬設(shè)備的動作，用虛擬現(xiàn)實這種沉浸感的方式顯示整個控制過程。該系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成［5］。

軟件平臺解決的是模擬實際設(shè)備工作時的真實場景，配料系統(tǒng)的生產(chǎn)流程是根據(jù)性能要求和工藝要求，結(jié)合原料的具體情況，制定合理的配料方案，將各種原料按照一定的比例，經(jīng)由各自的虛擬稱量傳感器精確稱量，通過螺旋輸送機送至混合機，與一定量的水混合均勻后形成混合物，再送到工作面的過程［6］。Quest3D是虛擬配料培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，它是一個高效的實時3D 建構(gòu)工具，另外由于提供底層成熟的DirectX 引擎，Quest3D VR Edition 版本允許使用者與外部硬件連接，可以用來跟蹤動作和模擬外部運動，用Quest3D 建立上述生產(chǎn)流程可以實現(xiàn)沉浸感較強的三維場景。圖1 為設(shè)計總體框圖，它由配料控制系統(tǒng)、立體虛擬顯示系統(tǒng)、通信接口模塊三部分組成。PLC 輸出的控制信號經(jīng)通信模塊處理后控制配料系統(tǒng)的虛擬執(zhí)行機構(gòu)和各個設(shè)備的開關(guān)，配料系統(tǒng)運行過程中，Quest3D 中虛擬稱重傳感器的檢測信號經(jīng)通信模塊輸?shù)絇LC 系統(tǒng)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)。

硬件平臺中選用的PLC 型號是三菱FX2N32MR繼電器型可編程控制器，硬件設(shè)計最重要的部分是通信模塊它是PLC 控制系統(tǒng)與虛擬配料系統(tǒng)通信的橋梁，圖2 是通信模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖中PLC 控制輸出的信號輸入到單片機系統(tǒng)中，經(jīng)單片機處理后送到PC機的虛擬配料系統(tǒng)，控制配料系統(tǒng)的運行［7］。配料系統(tǒng)的虛擬傳感器信號通過通信接口模塊輸送到單片機，經(jīng)單片機處理后輸?shù)絇LC 輸入端，供PLC 檢測狀態(tài)，實現(xiàn)PLC 對虛擬配料系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖1 總體設(shè)計框圖

圖2 通信接口

2 虛擬配料系統(tǒng)三維場景構(gòu)建

2.1 設(shè)備三維模型的建立

三維模型的建立是虛擬配料系統(tǒng)的基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)場拍攝配料系統(tǒng)的圖片，用三維建模軟件3DMAX 繪制出各個設(shè)備的模型［8］，如螺旋輸送機、氣動閥門、稱重傳感器、混合倉等，場景設(shè)備的尺寸需與真實情況相一致，單位合理，另外建立模型的時候要注意削減多余的點和重復(fù)的面數(shù)，減少不必要的面有助于減輕硬件負擔，提高渲染的速度。模型制作完成后，為增加場景的真實性為每個設(shè)備制作了二維貼圖，如圖3 所示為虛擬稱重傳感器和虛擬氣動閥門。

圖3 設(shè)備模型

2.2 控制流程分析

在三維場景建立前，需要對實際配料生產(chǎn)工藝進行分析，首先檢查各個閥門狀態(tài)是否都關(guān)閉，在確認各閥門是關(guān)閉的狀態(tài)后由螺旋輸送機將主料、添加劑、粉煤灰送往稱重料倉，料倉里的料不斷增加直到達到所要求的重量后螺旋輸送機關(guān)閉，打開各秤斗料倉氣動閥門將稱好的料送往混合倉混合，混合一定時間，同時水泵啟動稱量待水的重量到達設(shè)定值后，打開水倉閥門和混合倉閥門一同送往攪拌倉，在攪拌機里進行一定時間攪拌，在攪拌機運行了一定的時間后，打開攪拌倉閥門進行卸料，完成一個循環(huán)。配料系統(tǒng)主控制流程圖如圖4 所示。

圖4 控制流程圖

2.3 I/O 口的配置

系統(tǒng)包括的數(shù)據(jù)種類有數(shù)字量和模擬量兩種，PLC 模擬量輸入包括各虛擬傳感器的反饋值(包括主料、添加劑、粉煤灰、以及水的重量)，數(shù)字量輸入有系統(tǒng)的啟動、停止按鈕、各個閥門的狀態(tài)。PLC 的數(shù)字量輸出有:各種執(zhí)行器(攪拌機、添加劑螺旋輸送機、主料螺旋輸送機、粉煤灰螺旋輸送機、水泵、各氣動閥門的開關(guān)，出料泵)。

虛擬配料系統(tǒng)的模擬量輸入［9］如表1 所示。虛擬配料系統(tǒng)的數(shù)字量輸入/輸出如表2 所示。

表1 虛擬配料系統(tǒng)模擬量輸入表

3 虛擬配料系統(tǒng)三維動畫驅(qū)動

3.1 虛擬配料系統(tǒng)與PLC 通訊接口

由于選用的三菱PLC 是繼電器類型，將PLC 的輸出端與單片機的I/O 口相連接，PLC 的輸出會改變單片機I/0 的狀態(tài)，通過單片機循環(huán)檢測端口高低電平的狀態(tài)，往緩沖區(qū)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，單片機通過串口通信將數(shù)據(jù)送往PC 機，Quest3D 對接收到緩沖區(qū)發(fā)來的不同數(shù)據(jù)進行判定后，進行相關(guān)三維設(shè)備模型的動作。隨著物料的增加，在Quest3D 中通過程序使虛擬傳感器的值也不斷循環(huán)增加，直到達到設(shè)定值時將信號通過串口發(fā)往單片機，經(jīng)過單片機處理后外接繼電器送往PLC 的輸入端，進行PLC 程序的處理。圖5 是Quest3D 的串口通信的控制邏輯，從圖中可以看出，Quest3D 中串口的接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，主要是通過Quest3D 中的通道“Serial Port”和通道“Serial Command”來實現(xiàn)的。通道“Serial Port”可以設(shè)置串口號、波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位以及停止位，設(shè)置好參數(shù)以后可以與接口模塊的單片機進行通信［10］。串口通道“Serial Command”可以控制打開、關(guān)閉串口等。

表2 虛擬配料系統(tǒng)數(shù)字量輸入/輸出表

圖5 串口通信

3.2 虛擬配料系統(tǒng)三維動畫實現(xiàn)

Quest3D 的粒子系統(tǒng)可以模擬水流以及料的運動，粒子物體相當于一個特殊的3D 物體，通過Surface通道下的材質(zhì)以及貼圖可以定義粒子的外觀，雙擊粒子ParticleObject 通道可以調(diào)節(jié)粒子的各種屬性，而ObjecDate 通道相當于粒子發(fā)射器，經(jīng)判斷單片機緩沖區(qū)傳過來數(shù)據(jù)，通過在物體數(shù)據(jù)的頂點上循環(huán)發(fā)射粒子來形成水以及料的運動效果。在3DMAX 中將三維設(shè)備模型導(dǎo)出。CGR 格式后，將Quest3D 加載該模型后中，在窗口程序編寫中會顯示加載物體的各個屬性如貼圖、位置信息等，為了盡可能使虛擬系統(tǒng)達到實際配料生產(chǎn)的效果，三維模型的建立基于現(xiàn)場實際拍攝的圖片，設(shè)備的擺放也要與實際相一致［11-13］。若串口有數(shù)據(jù)傳輸上來，根據(jù)串口的數(shù)據(jù)在位置信息處進行相應(yīng)移動、旋轉(zhuǎn)等動作，圖6 是攪拌機攪拌的控制邏輯。

圖6 攪拌機旋轉(zhuǎn)控制邏輯

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文開發(fā)的基于PLC 的虛擬配料系統(tǒng)為學(xué)生提供了直觀、貼近于實際工程的操作平臺，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建設(shè)備的三維場景，應(yīng)用接口技術(shù)使設(shè)備產(chǎn)生反饋數(shù)據(jù)，輸入到PLC 進行處理，有效提高學(xué)生實踐能力。圖7 是系統(tǒng)測試時的效果圖。

圖7 系統(tǒng)效果圖

5 結(jié) 語

通過實際培訓(xùn)效果測試，本文提到的基于Quest3D 的虛擬配料系統(tǒng)實現(xiàn)了通過虛擬傳感器和虛擬執(zhí)行器來進行PLC 學(xué)員培訓(xùn)的過程?；谠撓到y(tǒng)虛擬組件，可以讓學(xué)員操作虛擬的螺旋輸送機、水泵、攪拌機等設(shè)備。同時，該系統(tǒng)提供一個安全性的培訓(xùn)環(huán)境，當學(xué)員程序或者操作失誤時，由于設(shè)備是虛擬的表現(xiàn)方式，可以避免設(shè)備造成損害的擔憂。該虛擬系統(tǒng)對目前PLC 實驗室教學(xué)提供了新的思路，用虛擬現(xiàn)實技術(shù)增加了學(xué)員實際動手能力，解決了實驗室引進昂貴設(shè)備價格的難題，而通過設(shè)備的操作使學(xué)員對工業(yè)控制流程有了更深的理解［14-15］。下一步需要完善的PLC 培訓(xùn)內(nèi)容是加入考試評分系統(tǒng)，通過設(shè)置條件讓學(xué)員自行進行程序的編寫與調(diào)試，通過控制效果來判定每個學(xué)員的學(xué)習(xí)情況。

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