王敬冲， 王大虎， 刘海洋

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作454003)

0 引 言

可编程程序控制器(PLC)已经成为高校中自动化、应用电子电器、机电一体化等专业的核心专业课之一。由于PLC 的工程实践性较强，实验教学在高校PLC 课程中承担着非常重要的作用，PLC 实验教学实际上是学生将课堂上学到的理论知识转化为实际控制的动手过程，同时在实验中培养解决实际问题的能力［1］。

目前PLC 传统实验室教学主要有以下3 种:①学生在电脑上通过编程软件编辑好梯形图程序后，下载到只有硬件的PLC 中运行，然后通过观察PLC 输出点指示灯状态来判断程序是否达到控制要求。由于没有实际的控制对象，学生只能进行简单调试性实验，没有实际对象的控制和连接过程。②建立简单模拟实际的实验室，学校根据本校实际课程安排，选出几种典型PLC 实验，如实现人工喷泉、交通灯、电机正反转等典型PLC 实验的功能。这种简单实验教学方式与实际工程联系不够紧密，没有形成一个完整的工业系统。③由各大PLC 公司联合高校推出综合性实验平台，它的控制模式多种多样，各种设备以及实验内容较为齐全。但这种投入的资金较大，而且在设备使用中会带来材料的损耗，设备的维护较为复杂［2］。

针对上述PLC 传统实验室教学存在的问题，本文设计了基于Quest3D 的PLC 配料虚拟培训系统。系统提出基于虚拟传感器(与PLC 之间的反馈输入)和虚拟执行器(用于操作和控制设备)的虚拟设备，通过三维场景建立、三维动画驱动、通信接口设计等技术，可以提供学员沉浸感较强的虚拟配料PLC 培训系统，让学员能够近似真实地处理各种类型的设备［3-4］。

1 虚拟配料系统总体设计

针对PLC 教学实验的特点，系统在PLC 程序运行后，需要实时地验证各种虚拟设备的动作，用虚拟现实这种沉浸感的方式显示整个控制过程。该系统由软件和硬件两部分组成［5］。

软件平台解决的是模拟实际设备工作时的真实场景，配料系统的生产流程是根据性能要求和工艺要求，结合原料的具体情况，制定合理的配料方案，将各种原料按照一定的比例，经由各自的虚拟称量传感器精确称量，通过螺旋输送机送至混合机，与一定量的水混合均匀后形成混合物，再送到工作面的过程［6］。Quest3D是虚拟配料培训系统的软件开发平台，它是一个高效的实时3D 建构工具，另外由于提供底层成熟的DirectX 引擎，Quest3D VR Edition 版本允许使用者与外部硬件连接，可以用来跟踪动作和模拟外部运动，用Quest3D 建立上述生产流程可以实现沉浸感较强的三维场景。图1 为设计总体框图，它由配料控制系统、立体虚拟显示系统、通信接口模块三部分组成。PLC 输出的控制信号经通信模块处理后控制配料系统的虚拟执行机构和各个设备的开关，配料系统运行过程中，Quest3D 中虚拟称重传感器的检测信号经通信模块输到PLC 系统，实现整个系统的闭环。

硬件平台中选用的PLC 型号是三菱FX2N32MR继电器型可编程控制器，硬件设计最重要的部分是通信模块它是PLC 控制系统与虚拟配料系统通信的桥梁，图2 是通信模块内部结构图，图中PLC 控制输出的信号输入到单片机系统中，经单片机处理后送到PC机的虚拟配料系统，控制配料系统的运行［7］。配料系统的虚拟传感器信号通过通信接口模块输送到单片机，经单片机处理后输到PLC 输入端，供PLC 检测状态，实现PLC 对虚拟配料系统的闭环控制。

图1 总体设计框图

图2 通信接口

2 虚拟配料系统三维场景构建

2.1 设备三维模型的建立

三维模型的建立是虚拟配料系统的基础，根据现场拍摄配料系统的图片，用三维建模软件3DMAX 绘制出各个设备的模型［8］，如螺旋输送机、气动阀门、称重传感器、混合仓等，场景设备的尺寸需与真实情况相一致，单位合理，另外建立模型的时候要注意削减多余的点和重复的面数，减少不必要的面有助于减轻硬件负担，提高渲染的速度。模型制作完成后，为增加场景的真实性为每个设备制作了二维贴图，如图3 所示为虚拟称重传感器和虚拟气动阀门。

图3 设备模型

2.2 控制流程分析

在三维场景建立前，需要对实际配料生产工艺进行分析，首先检查各个阀门状态是否都关闭，在确认各阀门是关闭的状态后由螺旋输送机将主料、添加剂、粉煤灰送往称重料仓，料仓里的料不断增加直到达到所要求的重量后螺旋输送机关闭，打开各秤斗料仓气动阀门将称好的料送往混合仓混合，混合一定时间，同时水泵启动称量待水的重量到达设定值后，打开水仓阀门和混合仓阀门一同送往搅拌仓，在搅拌机里进行一定时间搅拌，在搅拌机运行了一定的时间后，打开搅拌仓阀门进行卸料，完成一个循环。配料系统主控制流程图如图4 所示。

图4 控制流程图

2.3 I/O 口的配置

系统包括的数据种类有数字量和模拟量两种，PLC 模拟量输入包括各虚拟传感器的反馈值(包括主料、添加剂、粉煤灰、以及水的重量)，数字量输入有系统的启动、停止按钮、各个阀门的状态。PLC 的数字量输出有:各种执行器(搅拌机、添加剂螺旋输送机、主料螺旋输送机、粉煤灰螺旋输送机、水泵、各气动阀门的开关，出料泵)。

虚拟配料系统的模拟量输入［9］如表1 所示。虚拟配料系统的数字量输入/输出如表2 所示。

表1 虚拟配料系统模拟量输入表

3 虚拟配料系统三维动画驱动

3.1 虚拟配料系统与PLC 通讯接口

由于选用的三菱PLC 是继电器类型，将PLC 的输出端与单片机的I/O 口相连接，PLC 的输出会改变单片机I/0 的状态，通过单片机循环检测端口高低电平的状态，往缓冲区发送不同的数据，单片机通过串口通信将数据送往PC 机，Quest3D 对接收到缓冲区发来的不同数据进行判定后，进行相关三维设备模型的动作。随着物料的增加，在Quest3D 中通过程序使虚拟传感器的值也不断循环增加，直到达到设定值时将信号通过串口发往单片机，经过单片机处理后外接继电器送往PLC 的输入端，进行PLC 程序的处理。图5 是Quest3D 的串口通信的控制逻辑，从图中可以看出，Quest3D 中串口的接收与发送数据，主要是通过Quest3D 中的通道“Serial Port”和通道“Serial Command”来实现的。通道“Serial Port”可以设置串口号、波特率、奇偶校验位、数据位以及停止位，设置好参数以后可以与接口模块的单片机进行通信［10］。串口通道“Serial Command”可以控制打开、关闭串口等。

表2 虚拟配料系统数字量输入/输出表

图5 串口通信

3.2 虚拟配料系统三维动画实现

Quest3D 的粒子系统可以模拟水流以及料的运动，粒子物体相当于一个特殊的3D 物体，通过Surface通道下的材质以及贴图可以定义粒子的外观，双击粒子ParticleObject 通道可以调节粒子的各种属性，而ObjecDate 通道相当于粒子发射器，经判断单片机缓冲区传过来数据，通过在物体数据的顶点上循环发射粒子来形成水以及料的运动效果。在3DMAX 中将三维设备模型导出。CGR 格式后，将Quest3D 加载该模型后中，在窗口程序编写中会显示加载物体的各个属性如贴图、位置信息等，为了尽可能使虚拟系统达到实际配料生产的效果，三维模型的建立基于现场实际拍摄的图片，设备的摆放也要与实际相一致［11-13］。若串口有数据传输上来，根据串口的数据在位置信息处进行相应移动、旋转等动作，图6 是搅拌机搅拌的控制逻辑。

图6 搅拌机旋转控制逻辑

4 系统实现

本文开发的基于PLC 的虚拟配料系统为学生提供了直观、贴近于实际工程的操作平台，采用虚拟现实技术创建设备的三维场景，应用接口技术使设备产生反馈数据，输入到PLC 进行处理，有效提高学生实践能力。图7 是系统测试时的效果图。

图7 系统效果图

5 结 语

通过实际培训效果测试，本文提到的基于Quest3D 的虚拟配料系统实现了通过虚拟传感器和虚拟执行器来进行PLC 学员培训的过程。基于该系统虚拟组件，可以让学员操作虚拟的螺旋输送机、水泵、搅拌机等设备。同时，该系统提供一个安全性的培训环境，当学员程序或者操作失误时，由于设备是虚拟的表现方式，可以避免设备造成损害的担忧。该虚拟系统对目前PLC 实验室教学提供了新的思路，用虚拟现实技术增加了学员实际动手能力，解决了实验室引进昂贵设备价格的难题，而通过设备的操作使学员对工业控制流程有了更深的理解［14-15］。下一步需要完善的PLC 培训内容是加入考试评分系统，通过设置条件让学员自行进行程序的编写与调试，通过控制效果来判定每个学员的学习情况。

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