基于Unity 3D的“現代電氣控制技術”虛擬仿真實訓系統設計

摘要：針對“現代電氣控制技術”課程中可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）教學實訓條件存在高投入、高風險等問題，文章提出一種應用Unity 3D開發的“現代電氣控制技術”課程的虛擬仿真實訓系統，旨在幫助機電類學生學習“現代電氣控制技術”課程時進行PLC梯形圖編程實訓。該系統能支持虛實結合和純虛擬化兩種實訓模式，同時還能和實際的實訓設備共同構成數字孿生模型。文章介紹了該虛擬仿真實訓系統配合真實PLC或虛擬PLC進行編程實訓的方法和該虛擬仿真實訓系統的開發步驟以及應用的情況。經實際使用，該系統具有較好的應用價值。

關鍵詞：虛擬仿真；PLC；虛實結合；數字孿生

中圖分類號：TP393""文獻標志碼：A

0"引言

“現代電氣控制技術”課程是高職機電類專業的一門核心課程，學生在該門課程中學到的可編程邏輯控制器程序設計能力非常關鍵，對學生后期崗位實習及工作起著至關重要的作用。然而，學生學習可編程邏輯控制器編程的被控對象（如機電一體化設備或生產線）價格貴，體積大，一般安裝在固定的實訓室，學生若要實訓必須在實訓室才能進行；學生雖然可以利用PLC的編程軟件練習編程，但是不能直觀看到被控對象的執行動作，不知道程序是否正確。隨著虛擬現實技術的發展，學生可以利用虛擬現實技術虛擬化實訓設備，結合各PLC廠家提供的虛擬PLC進行純虛擬的實訓，從而實現虛擬實訓和虛擬教學。此方法可打破傳統教學必須在實訓室中進行的束縛，讓學生在任何時間和地點，只要有電腦即可進行實訓，從而增加學習的靈活性，有利于實現線上教學和學習。除此以外，還可以使用PLC實物結合虛擬設備實現半實物半虛擬的虛實結合實訓，降低實訓設施的投入。

經過實際應用，學校利用虛擬現實技術實現設備的數字孿生系統用于教學，能夠大大提高學生自主學習積極性和興趣，有效防止學生在操作不熟練的情況下進行實訓對設備帶來損壞和降低對自身安全的風險，同時能解決設備投入高、數量不足的問題，有效增加學生實訓的時長，提高教學質量。

近年來，很多學者進行了虛擬實驗或實訓方面的研究，在智能制造領域實現數字孿生，如：陳立^［1］開發了基于Unity 3D和AR技術的虛擬實驗室系統，王佩玉等^［2］提出了一種基于Unity 3D配合三菱虛擬PLC實現了生產線跨平臺的虛擬調試系統設計方法，孫國鋒等^［3］利用Unity 3D上位機平臺搭建了組合稱模型，實現數字孿生。宮瑞哲等^［4］利用數字孿生理論搭建堆垛機的數字孿生模型，實現多層次的監控與運維；趙永信等^［5］利用西門子機電概念設計軟件MCD對氣動機械手進行概念設計并利用虛擬PLC和TCP實現通信對氣動機械手的模型進行虛擬仿真調試，蔡文站等^［6］利用西門子機電一體化概念設計軟件MCD和TIA軟件設計了機器人打磨聯合虛擬調試系統，通過OPC UA協議同硬件進行通信實現軟/硬件聯合虛擬調試，嚴惠等^［7］基于MCD機電一體化概念設計軟件，利用KEPServerEX6 OPC服務器和SignalR即時通信技術設計了柔性生產線數字孿生的FMS運維監控系統，歐陽曙光等^［8］利用Unity 3D開發了交互式化工虛擬仿真實習平臺，用于演示設備結構和工作原理，以及操作培訓和考核，李能菲等^［9］利用RobotStudio軟件實現了工業機器人自動生產線工作站的虛擬仿真教學。

從以上的情況分析可知，目前，在虛擬仿真實驗實訓和虛擬調試方面，一般都是基于Unity 3D、西門子MCD以及各類CAD軟件或者專門開發的虛擬軟件，實現各類設備的動作、場景模擬等。其中，西門子MCD除了能實現各類設備的物理特性及動作模擬外，還能夠通過傳感器設置與外部控制設備如PLC等實現電氣與機械的聯合仿真，具有工程屬性，但MCD軟件是在西門子UG NX建模軟件的基礎上集成了機電一體化概念設計模塊，該軟件不能單獨運行，安裝包巨大，運行環境對計算機性能要求較高。該軟件為商業軟件，價格不菲，不利于推廣應用，而其他的仿真模式在電氣控制方面的仿真能力存在欠缺，特別是不能很好地解析PLC梯形圖程序。因此，文章提出一種基于Unity 3D和虛擬PLC聯合開發設備數字孿生系統（虛擬設備），配合PLC編程軟件實現電氣控制系統編程實訓的虛擬仿真資源開發方式。同時，該虛擬設備也能作為真實PLC的被控對象，實現虛實結合的虛擬仿真方式。本文以學?，F有PLC實訓室的氣動機械手實訓臺為藍本，開發了其數字孿生虛擬仿真實訓資源，用于學生PLC程序設計實訓的拓展訓練資源。經測試，該系統能很好地用于學生實訓，提高學生程序設計能力。

1"系統介紹

本虛擬仿真實訓系統是基于Unity 3D按照PLC實訓室的氣動機械手實訓平臺1∶1開發的數字孿生虛擬仿真實訓平臺，可替代電氣控制系統的被控對象，和實際被控對象具有相同電氣響應特性。該系統包括一臺氣動機械手、各類工控按鈕和指示燈等，界面如圖1所示，能夠滿足學生學習“現代電氣控制技術”課程的各類基礎編程訓練。

1.1"虛擬仿真實訓系統的參數配置

本虛擬仿真實訓系統實現了被控系統的虛擬化，能夠被PLC等控制系統控制。軟件設置了相應的參數配置窗口，包括工控按鈕和工控指示燈的IO地址、氣動機械手的各傳感器、控制電磁閥的IO地址以及控制系統的IP地址等。用戶點擊下方藍色的三角箭頭，會彈出各類手動控制按鈕及配置按鈕，點擊配置按鈕即會彈出各IO地址的配置對話框如圖2所示，用戶可根據提示輸入傳感器及控制器的IO地址等信息，此信息需要和PLC程序中使用的地址相對應，若用戶需要虛實結合調試或實現和實際被控對象構成數字孿生系統，則虛擬仿真系統和真實系統的配置必須一致，同時需要注意的是，由于按鈕等輸入裝置，在實際設備中是連接的PLC輸入端口，該端口為只讀，在軟件中無法控制，因此虛擬設備中的按鈕不能設置為輸入端口，需要使用中間繼電器作為虛擬設備中按鈕和傳感的地址，因此在編寫PLC程序時，需要對IO地址利用中間繼電器進行中轉。

1.2"虛擬仿真實訓系統的實訓方法

本虛擬仿真實訓系統可以配合西門子、三菱等廠家的虛擬PLC實現純虛擬編程實訓，也可以配合真實PLC，以本軟件為被控對象實現編程實訓，提高學生的PLC程序編制能力。在此分別以西門子虛擬PLC（PLCSIM ADV）和真實PLC為例介紹其實訓方法。

1.2.1"配合西門子虛擬PLC（PLCSIM ADV）實現程序的調試

傳統的PLC編程實訓，一般使用的是真實的PLC和真實的被控對象，通過PLC編程軟件編制梯形圖等程序，下載到PLC中實現對被控對象的控制，觀察其響應是否符合預期，從而判斷程序的正確性。本文所開發的虛擬仿真實訓系統就是為了替代真實的被控對象，用戶只需要電腦就可以實現PLC編程實訓，其實訓整體架構如圖3所示。

西門子PLC的編程軟件一般采用博途（TIA），為了實現虛擬調試，還需要使用西門子虛擬PLC軟件（PLCSIM ADV），該軟件可以實現PLC的所有功能，通過相應的協議能和外部設備進行通信，而本文所開發的虛擬仿真實訓系統，通過以太網與虛擬PLC進行交互，從而實現相應的控制。

用戶在虛擬仿真實訓系統中設置好虛擬PLC的IP地址，根據任務規劃好各傳感器、控制閥等輸入輸出點的地址，此地址信息必須和梯形圖中應用的地址一致（設置方法與真實設備編程流程和方法一致）。根據任務要求在TIA中進行PLC梯形圖的編制，完成程序編制后，將PLC程序下載到虛擬PLC中，啟動虛擬PLC的運行，虛擬仿真實訓系統通過以太網和虛擬PLC進行通信，獲取相應的控制信息，驅動虛擬模型進行相應的動作，同時對虛擬模型的操作信息，也通過網絡反饋到虛擬PLC，從而根據編制的程序做出相應的反應。

1.2.2"配合真實PLC實現程序的調試

為了能更接近真實設備的調試效果，除了使用純虛擬的仿真實訓外，學生還可以采用虛實結合的方式進行實訓，即被控對象采用本文所述的虛擬仿真實訓系統，而PLC采用真實的PLC，通過TIA軟件編寫梯形圖程序，直接下載到真實PLC中，使梯形圖程序在真實環境中執行，相應的控制指令通過網絡和虛擬仿真實訓系統進行交互，從而對編寫的梯形圖的正確性進行測試。其架構如圖4所示。

采用本方法，運行環境為真實設備，能清楚掌握真實PLC運行時的狀態，更加明確真實PLC與各類被控對象的網絡連接，但是此方案也因此限制了實訓的地點并提高了設備的投入。

2"虛擬仿真實訓系統的開發

本虛擬仿真實訓系統的主要目的是實現一個能替代被控對象的虛擬設備，通過此設備解決傳統PLC編程課程的教學和實訓中對硬件設備的依賴，解決相關課程實訓設備投入高、占地面積大、學生實訓不便的問題。

2.1"設計開發步驟

虛擬仿真實訓系統的設計一般包括以下基本的步驟。

第一步是根據專業實訓課程體系，相關專業授課教師討論在實訓教學過程中存在的高投入、高損耗、高風險問題，分析確定哪些實訓課程對應的問題可利用虛擬仿真技術解決，進而討論確定需要開發的虛擬仿真實訓項目。

第二步是在前期確定開發的實訓項目基礎上，開發團隊進一步討論該項目可以采用哪些技術，模擬什么樣的具體場景或設備，需要應用什么樣的虛擬仿真設備來支持，比如是使用計算機軟件還是VR軟件，需要根據不同項目的特點選擇不同的載體，比如：各類拆裝類實訓，選擇沉浸式操作體驗的VR軟件較好，而對于一些編程訓練類的實訓則采用計算機類軟件較好。

第三步是根據需求，針對某一特定的實訓設備進行軟件開發。首先根據特定設備進行1∶1建模，導入3D開發引擎，構建模型中各部分的父子關系，添加燈光、紋理、合適的場景等效果，使軟件環境更加具有科技感和真實感，提高學生實訓的興趣。然后，根據設備的運動和電氣特性，利用腳本實現相應的功能，使虛擬仿真設備在接收到控制器的控制信息后，能做出和真實設備相同的響應。同時，虛擬仿真設備還應能記錄用戶實訓過程中存在的問題，向虛擬仿真實訓共享管理平臺進行反饋，以便教師能獲知學生在實訓過程的信息統計數據，在后續的教學中加以改進或強調，從而提升教學效果。

2.2"開發過程

由于本虛擬仿真實訓系統針對機電設備使用PLC控制的電氣響應，模型主要為各類機械結構。因此，系統的模型主要采用SIEMENS UG NX、SolidWorks等三維建模軟件完成模型的構建，這些三維軟件的文件格式無法直接導入Unity 3D軟件使用，因此將設計的三維模型文件轉成STL文件格式，導入3DMAX軟件，做好貼圖和渲染、調整好各模型的坐標和單位等參數后，導出為Fbx格式，再導入Unity 3D編輯器，創建燈光及場景效果，設置父子關系等。模型的電氣響應需要根據真實設備的功能需求利用C#語言編寫腳本程序來進行控制，以實現虛擬設備、控制器（虛擬PLC或真實PLC）和用戶之間的交互。設備和控制器之間采用網絡通信實現數據交換。

在建立設備的模型時，開發人員要根據實際設備的尺寸1∶1建模，才能確保模型尺寸結構協調，符合用戶習慣，特別是一些傳感器的狀態指示不能遺漏，否則會導致和實際設備操作時的響應不一致。同時，還要對模型進行貼圖和渲染，以增加虛擬設備的真實感。另外，從SolidWorks或UG NX等軟件中導入模型時，需要設置模型尺寸的單位和縮放比例，以便和Unity 3D中的單位相協調，不至于在Unity 3D中顯得模型過大或過小。

在設計軟件時，為了方便用戶使用和讓新用戶熟悉設備的運動模式，開發人員可設計手動控制和聯機控制模式，讓用戶可以利用按鈕手動控制模型各部分的運動，快速了解設備的功能；同時，需要考慮不同品牌PLC的通信模式，應用軟件開發中的單例模式和工廠模式實現通信和控制2個部分內容的解偶，在不對源代碼進行修改的前提下實現對功能和通信模式的擴展，避免對現有代碼修改而引入新的錯誤，符合軟件開發中實現對修改封閉對擴展開放的原則。

由于在編寫C#語言腳本控制模型運動時，需要按照PLC梯形圖的邏輯來處理，而不能只是根據計算機程序控制模型運動。因此，編寫腳本的人員最好具有PLC程序設計的經驗，能更好地理解模型的運動模式和需求。

2.3"開發實例

本實例以學?，F有的PLC基礎實訓室氣動機械手實訓平臺為例進行開發介紹。氣動機械手教學實訓平臺主要用于“現代電氣控制技術”課程的PLC編程實訓，包括可編程邏輯控制器PLC、工控按鈕、指示燈和一臺氣動機械手，機械手上安裝了吸盤，可實現平面物體的搬運。利用此平臺可實現課程中的各類基礎控制實訓。經與相關專業教師交流討論，此實訓設備投入高、場地占用大，在教室中布置設備臺套數有限。學生實訓需要花費較長時間才能達到教學目標，而實訓室工位數量有限，不能滿足所有學生隨時隨地大量實訓的需求。因此，將此實訓室的氣動機械手實訓平臺虛擬化，讓學生進行虛擬實訓具有迫切的需求。

經軟件開發團隊對此設備進行研究以及和相關老師進行討論，此設備在實訓中主要用于學生編寫的PLC程序進行驗證，確認被控對象運動狀態是否符合預期，以判斷PLC程序的正確性，因此主要功能是模擬設備在接收到PLC的控制信號后的響應和將響應反饋給PLC。由于PLC程序采用SIEMENS TIA軟件在計算機上進行編制，全程需要使用計算機，因此為了方便后期使用，本虛擬仿真實訓軟件設計為計算機版本，而不需要使用VR版本。此設備主要動作為機械手的移動和旋轉運動。設備包括按鈕和工控指示燈，使用Unity 3D進行開發較容易實現，而且也很容易通過TCP同PLC進行通信。PLC可以采用西門子虛擬PLC（PLCSIM ADV）軟件，也可以使用真實PLC。此設備利用以太網即可與虛擬設備進行通信。

本項目根據現有的氣動機械手實訓平臺的尺寸，應用SolidWorks軟件進行1∶1建模，建模時各運動部件進行單獨建模，形成裝配體，然后將其導入3DMAX軟件，進行渲染貼圖等，使模型看起來更加逼真，調整好坐標系、單位和縮放比例后導出為Fbx，然后將模型導入Unity 3D中使用。

本項目根據實訓平臺中各部件的運動要求，設置好各部件的父子關系，為每一個部件建立C#腳本控制其運動。在進行腳本開發的過程中，不需要加入各部件的運動邏輯，只需要在Update函數中根據相應的條件（如是否啟動運動和到達極限等）簡單控制各部件的運動，同時根據運動到極限位置設置各傳感器的狀態即可，如當某一部件運動到極限，則對應的傳感器變量屬性設置為真，否則設置為假。如氣缸向下伸出控制邏輯如圖5所示。

在前一步中各傳感器的狀態、各部件能否運動以及按鈕的狀態變化等數據需要和PLC進行交互，因此系統和PLC之間需要通過TCP通信來進行數據交互，可以將此數據定義在一個設備類中，使用單例模式，確保此設備類只有一個實例，實時和PLC通信更新數據，也確保在任何腳本中都能利用該設備類訪問到此數據，而不必在每個類中都實例化設備類和PLC通信，保證軟件的穩定性和可靠性。由于PLC的輸入端口只讀，因此在此軟件中涉及傳感器和按鈕等作為輸入的信號不能在軟件中直接設置其輸入端口的狀態，利用中間繼電器進行對接，而控制信號是可讀可寫可以直接與輸出端口對接，在軟件中設置好后通過網絡傳入PLC。

3"應用價值

本虛擬仿真實訓系統主要用于PLC編程實訓，虛擬化了被控對象，方便學生進行實訓。PLC編程技能是機電一體化技術專業的一項非常重要的職業技能，對學生未來在工作中進行設備調試和開發起著非常重要的作用，學生進行PLC程序編程和調試需要進行大量的訓練才能積累足夠的經驗。然而，傳統的實訓設施受限于投入和場地限制，學生只能利用有限的實訓課時和課余時間在實訓室進行訓練，因此實訓效果很難得到保證。將類似的機電一體化設備進行虛擬化，用于學生進行虛擬實訓或虛實結合的實訓，打破時間和空間的限制，大大提高學生實訓的時長，學生通過虛擬實訓后可以選擇在真實設備上對編寫的程序進行實際驗證，從而提高學生學習效率和學習效果。

4"結語

利用Unity 3D開發機電一體化系統虛擬仿真實訓資源，不需要復雜的控制邏輯，主要考慮對設備各部件進行簡單的運動控制，機電一體化技術專業的老師和同學在接受較短時間的培訓學習后就能夠勝任軟件的開發工作，為學校實訓資源不足帶來了新的解決方案。未來可對師生組建的開發團隊進行培訓，開發更為精致的實訓資源，如各線纜、機械結構的安裝與調整，實現與實際實訓設備完全一致的物理特性和外觀等操作特性，更好地用于學生實訓。

參考文獻

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（編輯"王永超）

Unity 3D-based virtual simulation training system design for the“Modern Electrical Control Technology”

WANG "Dong¹， LIU "Chunjin²， YANG "Jie³

（1.School of Intelligent Manufacturing， Chongqing Industry amp; Trade Polytechnic， Chongqing 408000， China;

2.College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China;

3.School of Artificial Intelligence， Chongqing Industry amp; Trade Polytechnic， Chongqing 408000， China）

Abstract： Aiming at the problems of high cost and risk in the programmable logic controller （PLC） teaching and training conditions in the course of “Modern Electrical Control Technology”， the study proposes a virtual simulation training system for the course of “Modern Electrical Control Technology” developed by Unity 3D， in order to help electromechanical students learn “Modern Electrical Control Technology” course to carry out PLC ladder programming training. The system can support both the virtual reality and pure virtualization training modes， and also can form a digital twin with the actual training equipment. This paper also describes the virtual simulation training system with the real PLC or virtual PLC programming training method， and its development steps and application of the situation. The practical use shows that it has good application value.

Key words： virtual simulation; PLC; virtual reality integration; digital twin