虛擬仿真在PLC 配料控制系統教學中的應用

王敬沖， 王大虎， 劉海洋

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作454003)

0 引 言

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

目前PLC 傳統實驗室教學主要有以下3 種:①學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，學生只能進行簡單調試性實驗，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，學校根據本校實際課程安排，選出幾種典型PLC 實驗，如實現人工噴泉、交通燈、電機正反轉等典型PLC 實驗的功能。這種簡單實驗教學方式與實際工程聯系不夠緊密，沒有形成一個完整的工業系統。③由各大PLC 公司聯合高校推出綜合性實驗平臺，它的控制模式多種多樣，各種設備以及實驗內容較為齊全。但這種投入的資金較大，而且在設備使用中會帶來材料的損耗，設備的維護較為復雜［2］。

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

1 虛擬配料系統總體設計

針對PLC 教學實驗的特點，系統在PLC 程序運行后，需要實時地驗證各種虛擬設備的動作，用虛擬現實這種沉浸感的方式顯示整個控制過程。該系統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備工作時的真實場景，配料系統的生產流程是根據性能要求和工藝要求，結合原料的具體情況，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是虛擬配料培訓系統的軟件開發平臺，它是一個高效的實時3D 建構工具，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 建立上述生產流程可以實現沉浸感較強的三維場景。圖1 為設計總體框圖，它由配料控制系統、立體虛擬顯示系統、通信接口模塊三部分組成。PLC 輸出的控制信號經通信模塊處理后控制配料系統的虛擬執行機構和各個設備的開關，配料系統運行過程中，Quest3D 中虛擬稱重傳感器的檢測信號經通信模塊輸到PLC 系統，實現整個系統的閉環。

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，硬件設計最重要的部分是通信模塊它是PLC 控制系統與虛擬配料系統通信的橋梁，圖2 是通信模塊內部結構圖，圖中PLC 控制輸出的信號輸入到單片機系統中，經單片機處理后送到PC機的虛擬配料系統，控制配料系統的運行［7］。配料系統的虛擬傳感器信號通過通信接口模塊輸送到單片機，經單片機處理后輸到PLC 輸入端，供PLC 檢測狀態，實現PLC 對虛擬配料系統的閉環控制。

圖1 總體設計框圖

圖2 通信接口

2 虛擬配料系統三維場景構建

2.1 設備三維模型的建立

三維模型的建立是虛擬配料系統的基礎，根據現場拍攝配料系統的圖片，用三維建模軟件3DMAX 繪制出各個設備的模型［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的面數，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工藝進行分析，首先檢查各個閥門狀態是否都關閉，在確認各閥門是關閉的狀態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。配料系統主控制流程圖如圖4 所示。

圖4 控制流程圖

2.3 I/O 口的配置

系統包括的數據種類有數字量和模擬量兩種，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)，數字量輸入有系統的啟動、停止按鈕、各個閥門的狀態。PLC 的數字量輸出有:各種執行器(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，出料泵)。

虛擬配料系統的模擬量輸入［9］如表1 所示。虛擬配料系統的數字量輸入/輸出如表2 所示。

表1 虛擬配料系統模擬量輸入表

3 虛擬配料系統三維動畫驅動

3.1 虛擬配料系統與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，通過單片機循環檢測端口高低電平的狀態，往緩沖區發送不同的數據，單片機通過串口通信將數據送往PC 機，Quest3D 對接收到緩沖區發來的不同數據進行判定后，進行相關三維設備模型的動作。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增加，直到達到設定值時將信號通過串口發往單片機，經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 中串口的接收與發送數據，主要是通過Quest3D 中的通道“Serial Port”和通道“Serial Command”來實現的。通道“Serial Port”可以設置串口號、波特率、奇偶校驗位、數據位以及停止位，設置好參數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、關閉串口等。

表2 虛擬配料系統數字量輸入/輸出表

圖5 串口通信

3.2 虛擬配料系統三維動畫實現

Quest3D 的粒子系統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通道下的材質以及貼圖可以定義粒子的外觀，雙擊粒子ParticleObject 通道可以調節粒子的各種屬性，而ObjecDate 通道相當于粒子發射器，經判斷單片機緩沖區傳過來數據，通過在物體數據的頂點上循環發射粒子來形成水以及料的運動效果。在3DMAX 中將三維設備模型導出。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達到實際配料生產的效果，三維模型的建立基于現場實際拍攝的圖片，設備的擺放也要與實際相一致［11-13］。若串口有數據傳輸上來，根據串口的數據在位置信息處進行相應移動、旋轉等動作，圖6 是攪拌機攪拌的控制邏輯。

圖6 攪拌機旋轉控制邏輯

4 系統實現

本文開發的基于PLC 的虛擬配料系統為學生提供了直觀、貼近于實際工程的操作平臺，采用虛擬現實技術創建設備的三維場景，應用接口技術使設備產生反饋數據，輸入到PLC 進行處理，有效提高學生實踐能力。圖7 是系統測試時的效果圖。

圖7 系統效果圖

5 結 語

通過實際培訓效果測試，本文提到的基于Quest3D 的虛擬配料系統實現了通過虛擬傳感器和虛擬執行器來進行PLC 學員培訓的過程。基于該系統虛擬組件，可以讓學員操作虛擬的螺旋輸送機、水泵、攪拌機等設備。同時，該系統提供一個安全性的培訓環境，當學員程序或者操作失誤時，由于設備是虛擬的表現方式，可以避免設備造成損害的擔憂。該虛擬系統對目前PLC 實驗室教學提供了新的思路，用虛擬現實技術增加了學員實際動手能力，解決了實驗室引進昂貴設備價格的難題，而通過設備的操作使學員對工業控制流程有了更深的理解［14-15］。下一步需要完善的PLC 培訓內容是加入考試評分系統，通過設置條件讓學員自行進行程序的編寫與調試，通過控制效果來判定每個學員的學習情況。

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