電控系統虛擬仿真平臺的實現方法

文/李學勇 鐘 亮

一、引言

為適應市場變化，提升卷煙物流的“核心支撐能力”，自2009年起，湖南煙草開始了全省的物流中心設備技改和技術引進，截至2019年6月，全省煙草商業企業物流中心作業形式完成了從人工向自動化的過渡。設備自動化的核心是PLC電控系統，系統實施后，其生命周期即進入了運維和更新階段。因此，全新的中大型電控系統的投入運行，一方面帶來了卷煙倉儲和分揀作業的極大便利，一方面也給系統的運行維護和程序更新工作帶來了巨大挑戰。

為解決電控系統應用后的運維技術培訓、系統更新以及新系統開發模擬驗證等需求，以衡陽煙草物流中心現場自動化設備為研究對象，結合現有的全景、三維、實時設備狀態監控系統，探討研究一種用于技術培訓和系統驗證的獨立仿真平臺。

本文研究得到了湖南省煙草公司科技項目：煙草商業物流設備備品備件管理模式研究及應用（18-20Bb10）及衡陽市煙草公司科技項目：基于VR技術的衡陽煙草卷煙物流設備虛擬現實培訓模式研究的資助。

圖1 衡陽煙草物流中心設備工藝布局三維展示

圖1是物流中心設備工藝三維展示：

聯合工房共分入庫、出庫、備貨、補貨及分揀等5大區域，包含497臺/套自動化設備，PLC控制總站5個，子站47個。

二、常見的電控系統培訓方式

1.現場培訓

由于電控系統屬于理論與實踐結合極其緊密的實戰型系統，對于人員的技能培訓和素質提升，最好能夠在作業現場進行。

從圖3可見，如果采用現場教學，可以保證培訓效果，但最大的缺點是培訓基于現場實際設備，系統進行代碼運行、測試以及受訓人員的各種誤操作都是直接驅動實際設備，有可能對既有的設備和系統造成不可預計的損壞，因此，導致現場培訓難以展開，目前，也沒有單位敢于在自家運行良好的設備基礎上進行系統級別的教學和實踐。

2.現場還原形式

現場測試的風險無法避免，某卷煙企業投入大量資金建立了小型的試驗現場，還原車間設備作業流程，用于運維技能的培訓及程序調試，但該種方式需要資金數百萬元，對于單個商業企業物流中心來說，其推廣意義不大。

3.獨立試驗平臺

針對效果良好的現場教學以及關鍵設備復原方式無法推行的現狀，行業目前有開設電控系統培訓，采用替換模擬形式的方式和工具介質，即代碼運行和系統運行的正確與否，不需要受訓人員所看到的系統所驅動的設備狀態來驗證，而是用聲、光以及簡單的電機運轉來模擬。某卷煙工業公司獨立試驗室，如圖4。

從上述內容可以看出，行業目前主流的培訓方式較為傳統且單一，對于沒有豐富的實踐經驗的受訓人員來說，是無法靠“想象”將聲、光的信息與設備實際運行場景聯系起來的。因此，文章所研究的電控系統虛擬仿真平臺就必須滿足以下三個要求：

選擇合適虛擬仿真平臺，創建單機、組合設備的三維虛擬模型，實現關鍵設備場景還原；

根據不同物流中心實際，創建靈活的電控系統硬件平臺框架；

完成硬件平臺程序輸出，驅動仿真平臺虛擬模型，創建可視化的運維技能提升及程序調試驗證環境。

圖2 投入運行后的聯合工房設備

圖3 依托現場設備教學

圖4 某卷煙工業公司獨立試驗室

圖5 某卷煙工業公司運維技能培訓平臺

通過以上借鑒點參考，按照“虛擬仿真”的思路， 平臺研發設計要以現場設備以及電控系統架構為基礎，將電控系統硬件平臺與三維虛擬環境有效結合，實現可視化的虛擬仿真培訓以及程序在線調試檢測平臺。虛擬仿真平臺假想圖，如圖6。

圖6 虛擬仿真平臺假想圖

圖7 虛擬仿真平臺研究方案

圖8 DEMO 3D 操作界面

三、虛擬仿真平臺方案

1.總體方案

結合實際需求以及DEMO3D實現功能，該虛擬仿真平臺方案如圖7。

2.軟件平臺DEMO 3D介紹

根據英國 Emulate3D 公司官網及百度百科介紹，Demo3D是由英國Emulate3D 公司開發的高逼真度物流系統動畫、仿真、控制平臺，主攻物流系統的數字化敏捷設計、震撼展示、方案驗證，Demo3D創新地支持PLC 外部設備和SoftPLC數據直接控制虛擬模型，操作極為簡便，極大縮短物流設備試車時間，降低調試費用和風險。Demo3D操作界面，如圖8。

四、虛擬仿真平臺實現及試驗

1.實現步驟（ 如表1）

2.硬件平臺

衡陽煙草物流中心現有PLC為西門子300系列及400系列，為適應新技術的發展，該平臺采用了最新的1500系列的CPU，如圖9。

3.模擬試驗

參考Emulated3d公司公布的建模和調試技術方案，衡陽煙草新開發的異型煙分揀電控系統在該平臺進行了模擬驗證。異型煙分揀設計流程，如圖10。異型煙電控系統架構，如圖11。異型煙分揀換層模擬驗證，如圖12。

圖10 異型煙分揀設計流程

圖11 異型煙電控系統架構

圖12 異型煙分揀換層模擬驗證

表1 虛擬仿真平臺實現步驟

五、結論

本文以現有通用的卷煙商業企業物流中心設備為背景，介紹了一種電控系統虛擬仿真平臺的實現方法，并深入分析了平臺具備的功能及開發步驟。該平臺具有一定的普遍性和實用性，為提高電控系統運維技術水平和系統程序更新及驗證，提供了獨立平臺。平臺設計簡單易用，能滿足現場電控系統維護及開發需求。