基于“視頻+虛擬仿真”模式的PLC虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建

李時(shí)輝　賈淑江　劉煒娜

摘要：針對(duì)當(dāng)前PLC實(shí)踐教學(xué)中難以將PLC應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)引入課堂的問(wèn)題，提出了一種基于“視頻+虛擬仿真”模式的PLC虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，并以機(jī)械手實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為例介紹了實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建方法。經(jīng)工商學(xué)院的近一年的教學(xué)實(shí)踐證明，該虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性及創(chuàng)新精神，實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果得到了進(jìn)一步的提高。

關(guān)鍵詞：PLC；虛擬實(shí)訓(xùn)；平臺(tái)；構(gòu)建

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）08-1920-03

可編程序控制器（以下簡(jiǎn)稱PLC）已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著及其重要的作用 [1]。PLC是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，需要通過(guò)大量的實(shí)踐教學(xué)，方可培養(yǎng)學(xué)生掌握一定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及維護(hù)能力。各高校也通過(guò)多種途徑以提高學(xué)生的實(shí)踐能力，如選用浙江天煌儀器公司等專業(yè)儀器公司的PLC模擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備[2]，此類設(shè)備固然有使用安全等優(yōu)點(diǎn)，但也存在價(jià)格高、更新難、與實(shí)際完全脫節(jié)問(wèn)題；也有部分學(xué)校探索“雙元制”的教學(xué)模式[3]，旨在加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，這類模式固然能有效提高學(xué)生的實(shí)踐能力，但因考慮安全及影響企業(yè)正常生產(chǎn)等原因，很少有企業(yè)愿意為學(xué)校提供實(shí)踐場(chǎng)所；隨著組態(tài)軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)大，部分學(xué)校探索使用仿真技術(shù)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4-5]，并取得了較好的效果，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)將企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)虛擬的模式表現(xiàn)出來(lái)，但因工作流程都是用動(dòng)畫的模式展示出來(lái)，學(xué)生在課堂上仍無(wú)法真正意義上親臨企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，若將企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)直播模式引入到課堂投入又是相當(dāng)大。義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱工商學(xué)院）開(kāi)展了積極而有效的探索，構(gòu)建了基于“視頻+虛擬仿真”模式的PLC虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)將一些典型的企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)拍成視頻，經(jīng)處理后導(dǎo)入到PLC的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，再根據(jù)視頻編制實(shí)訓(xùn)畫面，該平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)有效的解決了企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目難進(jìn)課堂的問(wèn)題。

1 “視頻+虛擬仿真”模式的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建

2 機(jī)械手實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的構(gòu)建

2.1 機(jī)械手工作視頻的導(dǎo)入

深入企業(yè)PLC的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，并將現(xiàn)場(chǎng)PLC的整個(gè)工作流程拍成視頻，將視頻導(dǎo)入實(shí)訓(xùn)平臺(tái)即可非常簡(jiǎn)單的將PLC的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)引入課堂，讓學(xué)生在課堂內(nèi)即可了解PLC的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前組態(tài)王軟件可播放AVI動(dòng)畫，因此在將機(jī)械手工作視頻導(dǎo)入組態(tài)界面時(shí)，應(yīng)先將視頻格式轉(zhuǎn)換為AVI格式，運(yùn)用組態(tài)王軟件內(nèi)的播放動(dòng)畫控件播放視頻。將視頻導(dǎo)入實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，在開(kāi)展實(shí)訓(xùn)前，學(xué)生通過(guò)視頻即可知道自己所編程序最終所需達(dá)到的效果；在實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生可通過(guò)視頻分析機(jī)械手的工作流程，結(jié)合視頻開(kāi)展PLC程序的編制與完善；PLC程序編完后，學(xué)生通過(guò)將實(shí)訓(xùn)平臺(tái)內(nèi)機(jī)械手的工作過(guò)程與視頻內(nèi)機(jī)械手的工作過(guò)程相比較，即可知道自己所編程序是否準(zhǔn)確。

2.2 機(jī)械手的工作流程及步驟分析

第一步：系統(tǒng)從原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至工件A點(diǎn)角度

S1：機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至A點(diǎn)工件角度時(shí)，機(jī)械手停止旋轉(zhuǎn)；

S2：機(jī)械手右移，到達(dá)A點(diǎn)上方后停止右移；

S3：夾緊裝置下移，到達(dá)物品所在A處上方后停止。

第二步：工件在A點(diǎn)抓取并運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)

S4：夾緊裝置工作，將工件A抓??；

S5：機(jī)械手上移，碰到上限開(kāi)關(guān)后停止上移；

S6：機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到達(dá)工件加工處B點(diǎn)時(shí)，機(jī)械手停止旋轉(zhuǎn)。

第三步：工件在B點(diǎn)加工完成后運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)

S7：機(jī)械手下降至下限開(kāi)關(guān)后停止；

S8：機(jī)械手夾緊裝置松開(kāi)，工件放置于B點(diǎn)；

S9：機(jī)械手上升至下限開(kāi)關(guān)后停止；

S10：系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，等待物品加工完成；

S11：物品加工完成，機(jī)械手下降至下限開(kāi)關(guān)后停止；

S12：機(jī)械手夾緊裝置工作，將加工完成后的工件抓?。?/p>

S13：機(jī)械手上升至上限開(kāi)關(guān)后停止；

S14：機(jī)械手順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)到達(dá)C點(diǎn)，機(jī)械手停止旋轉(zhuǎn)。

第四步：將工件安放至C點(diǎn)后回到A點(diǎn)，繼續(xù)循環(huán)下一輪工件加工流程

S15：機(jī)械手下降至下限開(kāi)關(guān)后停止；

S16：機(jī)械手夾緊裝置送開(kāi)，將加工完成后的工件放至C處；

S17：機(jī)械手上升至上限開(kāi)關(guān)后停止；

S18：機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至A點(diǎn)工件物品上方，繼續(xù)循環(huán)開(kāi)始下一輪工件加工流程。

2.4 編制控制流程程序

為使編制的機(jī)械手生動(dòng)地再現(xiàn)從原點(diǎn)移動(dòng)到A點(diǎn)，從A點(diǎn)工件的抓取到最后將工件放置C點(diǎn)，再返回到A點(diǎn)繼續(xù)循環(huán)開(kāi)始下一個(gè)工件加工流程的整個(gè)工作流程，機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)、上升、下降、抓取及放置等動(dòng)作可通過(guò)動(dòng)畫編制，但機(jī)械手什么時(shí)候停止上升、停止下降及開(kāi)始抓取等工作，需通過(guò)編制腳本程序改變系統(tǒng)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)變量產(chǎn)生由“1”變“0”或者由“0”變“1”，機(jī)械手開(kāi)始相應(yīng)動(dòng)作。

2.5 上位機(jī)與PLC間的通訊設(shè)置及調(diào)試

將上位機(jī)與PLC間通過(guò)COM串口進(jìn)行連接，并對(duì)串口的波特率及串口號(hào)等進(jìn)行配置，設(shè)置波特率為9600，在設(shè)置時(shí)還需特別注意所設(shè)置的串口號(hào)應(yīng)與實(shí)際連接的串口號(hào)一致，如設(shè)置的串口號(hào)為COM1，則連接的串口也為COM1，否則上位機(jī)與PLC間將無(wú)法完成通信。通訊完成后即可將正確的PLC程序下載至PLC即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試時(shí)應(yīng)參照視頻內(nèi)的機(jī)械手工作流程進(jìn)行，通過(guò)調(diào)試檢查所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)是否存在問(wèn)題或不足，再對(duì)所存在的不足進(jìn)行完善。

3 實(shí)踐成效

與現(xiàn)有幾種PLC實(shí)踐教學(xué)模式相比，采用視頻與虛擬仿真相結(jié)合模式開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，從設(shè)備投入、安全系數(shù)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與實(shí)際相結(jié)合等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與實(shí)際相結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)效果好

任課教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律，結(jié)合PLC的理論教學(xué)要求，設(shè)置了實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，并將該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)視頻經(jīng)采集處理后導(dǎo)入到實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，學(xué)生在課堂內(nèi)即可與PLC實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)零接觸。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在項(xiàng)目的設(shè)置上符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律，項(xiàng)目本身又來(lái)自于PLC的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)且通過(guò)視頻方式直觀呈現(xiàn)在學(xué)生面前，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和針對(duì)性，實(shí)踐教學(xué)效果有了進(jìn)一步提升。

3.2 設(shè)備投入少、維護(hù)成本低

運(yùn)用該平臺(tái)開(kāi)展實(shí)訓(xùn)工作，每個(gè)實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)僅需配置PLC、電腦PC機(jī)及所需供電電源即可，不再需要其它的投入，以每個(gè)實(shí)訓(xùn)室共有20個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)為例，每個(gè)實(shí)訓(xùn)室的投入僅約10萬(wàn)元，在使用過(guò)程中也不會(huì)有任何的損耗，維護(hù)成本幾乎為零。若要通過(guò)實(shí)物方式完成實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，購(gòu)置設(shè)備的資金投入是巨大的，至少在100萬(wàn)以上，放置實(shí)訓(xùn)設(shè)備的空間也是任何一個(gè)學(xué)校無(wú)法給予的，實(shí)訓(xùn)過(guò)程當(dāng)中的維護(hù)成本也是相當(dāng)之大。

3.3 操作對(duì)象均為虛擬，實(shí)訓(xùn)安全系數(shù)高

PLC的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)多在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，所帶的設(shè)備有相當(dāng)一部分為三相設(shè)備，運(yùn)用實(shí)物開(kāi)展實(shí)訓(xùn)具有較高的危險(xiǎn)性，如在開(kāi)展電機(jī)正反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，若所接線路出錯(cuò)將很可能將電機(jī)損壞，學(xué)生自己所接的線路也是一個(gè)很大的安全隱患。而在該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，除了PLC外其它所有的設(shè)備都是虛擬的，不需任何的接線，若實(shí)訓(xùn)學(xué)生編制的程序錯(cuò)誤也不會(huì)損壞 PLC，更不會(huì)影響到人身安全，實(shí)驗(yàn)的安全性得到了極大提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過(guò)視頻模式將機(jī)械手在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作流程導(dǎo)入到平臺(tái)中，學(xué)生在課堂內(nèi)即可達(dá)到“親臨現(xiàn)場(chǎng)”的效果，有效解決了教學(xué)與實(shí)際相脫節(jié)的問(wèn)題；用組態(tài)軟件構(gòu)建了虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上學(xué)生可開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，有效解決了深入企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)受時(shí)間、設(shè)備及安全等影響的問(wèn)題。通過(guò)工商學(xué)院的近一年的教學(xué)實(shí)踐證明，該虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性及創(chuàng)新精神，實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果得到了進(jìn)一步的提高。

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