曹小華， 肖 揚(yáng)， 程 詳

(1. 武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2. 天津港股份有限公司 科技設(shè)備部，天津 300461)

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基于虛實(shí)結(jié)合的港口裝備控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

曹小華1， 肖 揚(yáng)2， 程 詳1

(1. 武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2. 天津港股份有限公司 科技設(shè)備部，天津 300461)

針對(duì)港口裝備控制實(shí)驗(yàn)因缺乏相應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以有效開(kāi)展的現(xiàn)狀，提出了虛實(shí)結(jié)合的港口裝備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概念。利用Flexsim軟件搭建起港口裝備的三維仿真控制模型，對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)將模型狀態(tài)信息寫(xiě)入Excel電子表格并且同時(shí)從中讀取控制信號(hào)；利用WinCC組態(tài)軟件與PLC組態(tài)通訊，并且通過(guò)讀寫(xiě)Excel實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與反饋信息在控制硬件PLC與虛擬模型之間傳遞。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)突破了大型實(shí)驗(yàn)裝備缺乏的限制，可為港口大型裝備相關(guān)控制實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展提供對(duì)象模型，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的三維可視化，對(duì)大型裝備實(shí)驗(yàn)開(kāi)展具有借鑒意義。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； Flexsim； 虛實(shí)結(jié)合； 港口裝備

0 引 言

基于硬件設(shè)備的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，由于受到時(shí)空間、經(jīng)費(fèi)及設(shè)備人員安全的限制，經(jīng)常不能給學(xué)生提供足夠的硬件資源去完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[1]。如在港口物流大型裝備的控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一方面缺乏資金與場(chǎng)地安置這類設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)；另一方面這種大型實(shí)驗(yàn)往往涉及強(qiáng)電、高空等危險(xiǎn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)的安全性也需要考量，高校往往不能提供很好的設(shè)備以及場(chǎng)地進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，造成應(yīng)該有的實(shí)驗(yàn)空缺或者達(dá)不到實(shí)驗(yàn)的效果。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有可視化、成本低、無(wú)場(chǎng)地環(huán)境限制、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[2]，伴隨著圖形加速硬件的快速發(fā)展以及 3D 實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)引擎技術(shù)的日益成熟，3D 虛擬仿真設(shè)計(jì)近來(lái)被越來(lái)越多地引入教學(xué)環(huán)節(jié)之中，創(chuàng)新了傳統(tǒng)的教學(xué)模式[3]。高等學(xué)校往往針對(duì)理工科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了3D虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[4]，這種虛擬實(shí)驗(yàn)固然有很多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際工程中動(dòng)手能力的培養(yǎng)還是離不開(kāi)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，創(chuàng)新思想更是需要實(shí)踐去驗(yàn)證，這就出現(xiàn)了如何正確處理虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系問(wèn)題[5]。

1 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的提出

對(duì)于港口裝備，以最具代表性的港口裝卸起重裝備為例。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)起重裝備的仿真研究有很多，但大多集中在離散系統(tǒng)建模仿真和模擬操作培訓(xùn)的方面，屬于應(yīng)用型的研究，針對(duì)性太強(qiáng)，這和高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的并不相符。相關(guān)的離散仿真模型更多的是關(guān)注在基于離散系統(tǒng)建模仿真方法處理碼頭或者堆場(chǎng)的資源配置、運(yùn)營(yíng)管理、運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)局部研究，但針對(duì)于單獨(dú)一個(gè)起重機(jī)單體控制調(diào)度任務(wù)的研究較為缺乏[6]，對(duì)于本文研究對(duì)象即港口裝備控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)說(shuō)顯得太“虛”；而相關(guān)的模擬培訓(xùn)設(shè)備則側(cè)重于通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)者感官效果與操作體驗(yàn)與真實(shí)裝備一致，系統(tǒng)復(fù)雜冗余，目的集中在于裝備的操作培訓(xùn)，并不能體現(xiàn)控制實(shí)驗(yàn)的自由度，不能提供一個(gè)自由開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)讓師生有更大的實(shí)驗(yàn)空間，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)說(shuō)顯得又太僵化，太“實(shí)”。

目前有關(guān)研究，雖然它們都取得了相應(yīng)的研究成果，但單獨(dú)作為本文研究的起點(diǎn)或藍(lán)本似乎都難以得到預(yù)期的效果，所以本文將這兩方面的研究成果結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提出了基于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)解決方案。通過(guò)場(chǎng)景化的虛擬三維顯示模擬出一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)裝備環(huán)境以及真實(shí)的PLC硬件控制系統(tǒng)來(lái)作為設(shè)備控制實(shí)驗(yàn)的操作平臺(tái)相結(jié)合，這樣一虛一實(shí)，破解港口裝備控制實(shí)驗(yàn)難題，突破各種現(xiàn)實(shí)障礙，為師生提供一個(gè)良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，保障實(shí)驗(yàn)安全，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

本文采用Flexsim三維仿真技術(shù)，建立港口裝備三維仿真模型并進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用WinCC組態(tài)軟件及Excel電子表格搭建數(shù)據(jù)接口，將虛擬的計(jì)算機(jī)三維仿真模型和實(shí)際的PLC控制器等硬件設(shè)備組合，建立一套虛實(shí)結(jié)合的控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)構(gòu)成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 平臺(tái)構(gòu)成框圖

2 虛實(shí)結(jié)合控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

虛實(shí)結(jié)合控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是硬件控制與軟件三維仿真的結(jié)合，按照其搭建所用的技術(shù)手段，將建模過(guò)程分為Flexsim建模，WinCC組態(tài)，PLC控制。

2.1 Flexsim建模

Flexsim仿真軟件是一個(gè)面向?qū)ο蟮哪M仿真軟件[7]，借助其強(qiáng)大的三維建模功能，可以快捷地建立1個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的 3D 計(jì)算機(jī)模型[8]，它具有完全的C++面向?qū)ο笮?，超?qiáng)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)(3D動(dòng)畫(huà))，直觀的、易懂的用戶接口，卓越的柔韌性(可伸縮性)[9]，而且其在圖形建模環(huán)境中集成了C++IDE和編譯器，十分便于二次開(kāi)發(fā)；另外Flexsim中有一個(gè)效率非常高的仿真引擎，該引擎可同時(shí)運(yùn)行仿真和模型視窗，可使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)時(shí)提供三維控制仿真畫(huà)面。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究，F(xiàn)lexsim模型建立分為幾何建模，數(shù)據(jù)調(diào)用，運(yùn)動(dòng)建模。

幾何建模中，F(xiàn)lexsim可以直接導(dǎo)入3DS (3D Studio)，VRML，3D DXF and STL等類型多種格式的文件，方便用戶在其它三維建模工具中建立三維模型然后導(dǎo)入。以岸橋起重機(jī)為例，本文利用這種方式建立了岸橋的三維裝備模型(用于替代實(shí)際裝備，作為三維顯示的控制載體)、虛擬三維場(chǎng)景(用以構(gòu)建一個(gè)逼真的裝備環(huán)境如港口碼頭、船舶、建筑、背景等)的三維模型，F(xiàn)lexsim內(nèi)置了虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽窗口，可以讓用戶添加光源、霧以及虛擬現(xiàn)實(shí)立體技術(shù)，效果見(jiàn)圖2。

圖2 岸橋港口幾何模型

在數(shù)據(jù)的調(diào)用方面，F(xiàn)lexsim可以利用ODBC(開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接)和DDEC(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換連接)來(lái)輸入輸出仿真數(shù)據(jù)，本文利用一個(gè)Excel電子表格作為數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合ODBC的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。使用Flexsim內(nèi)置的模塊化的工具Excel的模塊，可以將一個(gè)Excel表格的數(shù)據(jù)全部或局部(設(shè)置起始和終止的行列)導(dǎo)入到Flexsim的全局表Global Table中；還可以利用IDE開(kāi)發(fā)語(yǔ)句操作Excel，如Excellaunch(“C:/…”)語(yǔ)句打開(kāi)計(jì)算機(jī)中的Excel文件，excelreadnum(numrow, numcol)語(yǔ)句讀Excel某一單元格的值，excelwritenum(num row,num col,num vauel)語(yǔ)句將數(shù)值寫(xiě)入Excel某一個(gè)單元格；通過(guò)這些手段實(shí)現(xiàn)Flexsim與外部數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接調(diào)用。

為了實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)仿真控制，這里還需要對(duì)模型的屬性參數(shù)進(jìn)行一系列的設(shè)置，在模型的觸發(fā)器中寫(xiě)入相應(yīng)的控制程序，通過(guò)讀取Flexsim全局表的值來(lái)判斷做出相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)在完成1個(gè)動(dòng)作后將反饋信號(hào)寫(xiě)入Excel。為了實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)體對(duì)控制信息的實(shí)時(shí)響應(yīng)，本文利用發(fā)生器Source每隔0.1 s產(chǎn)生1個(gè)實(shí)體，在這個(gè)Source的Oncreation觸發(fā)器中編寫(xiě)語(yǔ)句通過(guò)這個(gè)實(shí)體觸發(fā)讀取控制信號(hào)反饋狀態(tài)信息等。通過(guò)這樣我們的實(shí)驗(yàn)裝備模型每隔0.1 s就會(huì)刷新一次全局表的信息，同時(shí)將狀態(tài)信息寫(xiě)入Excel，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與控制，信息刷新流程見(jiàn)圖3。

圖3 控制信息刷新流程圖

至此，就完成了Flexsim模型的幾何建模、數(shù)據(jù)調(diào)用和動(dòng)態(tài)仿真控制的建模。

2.2 WinCC組態(tài)

WinCC是SIEMENS與Microsoft公司合作開(kāi)發(fā)的、開(kāi)放的過(guò)程可視化系統(tǒng)[10]，它提供主流的PLC系統(tǒng)通信通道，WinCC支持所有連接西門(mén)子S5/S7控制器，還包括PROFIBUS、DDE和OPC等非特定控制器的通信通道。

本文就是利用WinCC與Excel、VB的本地DDE通訊將PLC與仿真軟件平臺(tái)連接在一起了。利用其強(qiáng)大的組態(tài)以及訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，實(shí)現(xiàn)了WinCC全局VBS腳本定向采集、修改PLC特定變量以及對(duì)Excel進(jìn)行修改、更新、讀寫(xiě)等功能。

(1) 與PLC的組態(tài)。啟動(dòng)WinCCExplorer，建立一個(gè)單用戶項(xiàng)目設(shè)置與PLC端口的通訊連接。然后在驅(qū)動(dòng)程序連接下建立結(jié)構(gòu)類型和元素，給過(guò)程變量分配1個(gè)在PLC中的對(duì)應(yīng)地址(地址類型與通訊對(duì)象相關(guān))[11]。

(2) 與Excel的通訊。啟動(dòng)WinCC Explorer，在變量管理上添加新的驅(qū)動(dòng)程序“Windows dde.ch”。在 DDE 上進(jìn)行新的驅(qū)動(dòng)程序連接，設(shè)置相應(yīng)的屬性連接Excel文件[12]。利用WinCC全局腳本以及Excel，實(shí)現(xiàn)PLC與Flexsim軟件之間數(shù)據(jù)調(diào)用的流程，見(jiàn)圖4。在一些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[13-15]研究中，數(shù)據(jù)通信往往是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

圖4 WinCC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用流程

2.3 PLC控制硬件

PLC控制器硬件作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制核心，提供控制主體，用以實(shí)驗(yàn)教學(xué)編程控制，以及接收處理相關(guān)信號(hào)等。本文研究的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用外部操作設(shè)備控制手柄，按鈕等與PLC連接作為輸入設(shè)備構(gòu)成硬件控制系統(tǒng)，達(dá)到以硬件控制器驅(qū)動(dòng)三維軟件仿真畫(huà)面的目的。

港口裝備有很多，包括門(mén)座式起重機(jī)、橋門(mén)式起重機(jī)、岸橋起重機(jī)等等，為了與實(shí)際控制系統(tǒng)盡可能相似，本文以岸橋的控制為例對(duì)PLC的控制要求進(jìn)行分析，介紹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是如何建立。岸橋的控制要求包括：大車(chē)行走、小車(chē)行走、懸臂俯仰、裝載貨物、貨物起升、總啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、停機(jī)開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)等，另外還需要具有對(duì)相關(guān)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋的功能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)事先定義好輸入輸出的I/O點(diǎn)接口供學(xué)生編程時(shí)使用，以便與WinCC以及Flexsim的信息進(jìn)行對(duì)接。

用1臺(tái)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，WinCC通過(guò)RS232接口與PLC之間進(jìn)行通信，以監(jiān)控PLC的控制過(guò)程以及進(jìn)行對(duì)PLC編程?？刂乒衩姘迳习惭b有按鈕、指示燈、各種傳感器等與PLC的I/O端口連接。操作者既可以手動(dòng)操作面板控制各子系統(tǒng)運(yùn)行，也可以通過(guò)WinCC監(jiān)控面板控制系統(tǒng)運(yùn)行。

3 設(shè)備連接及調(diào)試

將PLC與計(jì)算機(jī)連接打開(kāi)WinCC軟件進(jìn)行組態(tài)，打開(kāi)Flexsim模型點(diǎn)擊仿真運(yùn)行，將仿真時(shí)鐘調(diào)整為1(也就是1∶1的時(shí)間)，首先利用組態(tài)軟件進(jìn)行調(diào)試，點(diǎn)擊相應(yīng)的控制界面上的按鈕觀察Flexsim中岸橋模型的運(yùn)動(dòng)，并觀察相應(yīng)限位開(kāi)關(guān)是否起作用。結(jié)合傳統(tǒng)的PLC控制試驗(yàn)流程，在PLC編程器中根據(jù)設(shè)定好的I/O點(diǎn)位編寫(xiě)相應(yīng)的岸橋PLC控制程序，下載到PLC中，操作相關(guān)按鈕，可在仿真畫(huà)面上觀察到相同的動(dòng)作效果，即驗(yàn)證程序的正確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用Flexsim三維動(dòng)畫(huà)仿真結(jié)合PLC硬件控制搭建起的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使港口裝備的控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠更好地開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)不再需要這類大型裝備作為硬件支撐；通過(guò)逼真三維仿真，在考慮經(jīng)濟(jì)型、安全性以及實(shí)用性并保證必要功能的基礎(chǔ)上，使得學(xué)生能夠更直觀地觀察裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及控制效果，而不是像傳統(tǒng)的PLC控制實(shí)驗(yàn)僅僅是觀察電機(jī)的運(yùn)行或者是相應(yīng)的指示燈的亮滅來(lái)判斷控制程序的正確性；另外虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用Flexsim軟件和組態(tài)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，對(duì)其他一些難以開(kāi)展的大型裝備的PLC控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的借鑒意義。

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On Experiment Platform of Port Equipment Control System Based on the Combination of Virtual with Actual Object

CAOXiao-hua1,XIAOYang2,CHENGXiang1

(1. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Science and Technology Unit, Tianjin Port CO., Ltd, Tianjin 437000, China)

The controlling experiments of port equipments could not be carried out properly due to the lack of appropriate equipment, so the concept of combination of virtual and actual object was proposed. Flexsim software was used to build the 3D simulation model of port equipment and was redeveloped to read and write Excel file. WinCC software was used to configure communication with PLC which realized the control and feedback signals transmission between PLC and Flexsim model by reading and writing Excel file. The Experiment platform broke the limit of equipment. It could offer us object models to do the experiments about port equipment and achieves 3D visualization of control process. The experience has a reference value for similar experiments.

experiment platform; Flexsim; combination virtual with actual object; port equipment

2015-09-10

交通部應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目資助(2015329811290)

曹小華(1973-)，男，湖北鄂州人，博士，教授，系主任，主要研究港口設(shè)備控制技術(shù)。

Tel.：15972143545；E-mail: tomm_cao@163.com

TP 319

A

1006-7167(2016)02-0074-04