基于PLC的虛擬儀器的研制

劉朋朋（中國人民解放軍第二炮兵工程大學 士官職業(yè)技術(shù)教育學院，山東 青州 262500）

0 引言

當今世界，在很多高精密儀器裝備領域，為實現(xiàn)對操作人員的培訓，經(jīng)常需要他們進行虛擬儀器的操作訓練，在熟練掌握虛擬儀器操作的基礎上，再進行實際儀器或裝備的操作，從而在很大程度上保護了這些高精密儀器裝備，減小了由于誤操作等原因?qū)x器裝備帶來的損害。因此虛擬儀器具有降低訓練成本，提高訓練效果，減少對實際裝備的損壞從而延長實際裝備的使用壽命等優(yōu)點，故當前虛擬儀器的研制得到了廣泛推廣。本文介紹了一種基于PLC的虛擬儀器的設計方案，研制了一臺虛擬裝備車，實現(xiàn)了在觸摸屏上對裝備車模型進行操作控制，并且利用虛擬現(xiàn)實仿真，非常形象直觀地將裝備車的相應動作仿真顯示在顯示屏上，從而實現(xiàn)了人員對裝備車的模擬操作訓練。

1 硬件設計方案

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

本文所用的觸摸屏與可編程邏輯控制器PLC采用的是西門子公司的MP377 12′′與SM300，由于PLC直接輸出的虛擬信號不能直接被計算機所接收，故設計方案利用單片機將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過串口被上位計算機所接收；虛擬場景是通過VC++控制Multigen Paradigm的Vega Prime 2.0來仿真實現(xiàn)的，場景中的模型是利用Multigen Paradigm的Creator 3.0建立的，顯示屏上的操作畫面是利用西門子公司提供的軟件Wincc flexible 2008制作的。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中，PLC與觸摸屏之間通過西門子的專業(yè)DP線進行連接，單片機采用AT89S52，它與上位機是通過串口線進行連接，觸摸屏與上位機之間是利用交叉線通過RS485通訊協(xié)議進行連接。

2 系統(tǒng)軟件設計

筆者以控制裝備車模型的運動為例進行闡述，實際的某型號系統(tǒng)模型控制與裝備車模型原理相同，只是節(jié)點更多，原理更復雜。對于該裝備車模型，首先通過Multigen Paradigm的Creator 3.0建立場景及裝備車模型，它是一個三維模型，非常形像逼真，可實現(xiàn)六個自由度的運動；其次利用Wincc flexible 2008制作觸摸屏的操作界面，并制訂相應的控制程序，然后利用交叉線通過RS485將界面下載到觸摸屏中。模型的控制過程是這樣的：通過觸摸屏上的按鍵給PLC發(fā)送命令，單片機接收到PLC的命令后將其轉(zhuǎn)化為相應指令發(fā)給上位機，上位機根據(jù)指令發(fā)出控制信號，控制場景中的模型動作，最終實現(xiàn)模型的動作控制。

2.1 MultiGen Creator

Creator是在圖形工作站上著名的實時三維模型建模工具軟件系統(tǒng)，具有良好的性能，系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好，可交互構(gòu)建三維模型用于創(chuàng)建相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)實事物。其強大的建模功能可為許多不同類型的圖像發(fā)生器提供系統(tǒng)的建模工具，它的層次細節(jié)(LOD)、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優(yōu)先級以及分離面等實時功能使得Openflight文件格式(*.fit)在實時三維視景仿真中成為最流行的圖像生成格式，并成為視景仿真領域中的行業(yè)標準。在調(diào)用模型時可以直接控制節(jié)點的各個自由度上的運動來實現(xiàn)模型的運動控制，要改變模型的空間位置，可以真接調(diào)整節(jié)點的空間位置即可，操作非常簡單，易于實現(xiàn)。

2.2 MultiGen Vega

把Creator建好的*.flt模型文件添加到Vega中，并在Vega的圖形環(huán)境用戶界面— —LynX中設置窗口(windows)、通道(channels)、場景(senses)和模型對象(objects)的初始狀態(tài)等參數(shù)，配置完成后保存為應用程序定義文件(*.adf)，以備調(diào)用。 另外，通過設立多觀察者（Observer）與多通道（Channel）可以實現(xiàn)模擬的多視角的觀察與控制。

在Windows XP操作環(huán)境下，采用Visual C++作為開發(fā)工具，通過調(diào)用Vega函數(shù)庫，開發(fā)出實時仿真圖像。在系統(tǒng)軟件設計過程中，首先要將Vega庫函數(shù)加人到Visual C++中，根據(jù)所需的模塊的不同加入不同模塊的頭文件。然后調(diào)用*.adf應用程序定義文件，利用一個While()循環(huán)實現(xiàn)動畫幀的掃描，最終實現(xiàn)場景的不斷變化。

2.3 WinCC flexible 2008

圖2 顯示屏操作界面圖之一

WinCC flexible 2008是西門子人機界面編輯的必備軟件，當然它也可以編輯PC項目。其功能特色為：集成組態(tài)——從微型面板到PC——多設備項目和設備開關(guān)面向解決方案——智能工具；功能強大的HMI模塊，可任意定義、重復使用，可集成修改TIA集成。

圖2中的兩個畫面就是利用本軟件所制作的顯示屏操作界面。這里的裝備車自檢是為了在使用前對裝備車的發(fā)動機進行檢查，以確保其正常工作，它是通過發(fā)動機的聲音文件表現(xiàn)出來的，啟動時發(fā)動機響，停止時，發(fā)動機不再響。對裝備車的運動控制主要有慢速前進、慢速后退、快速前進、快速后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及停止控制，另外還包括各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

筆者利用Visual C++編程時使用sleep()函數(shù)實現(xiàn)延時，它的單位是ms，如延時2秒，用sleep(2000)。通過延時控制，使系統(tǒng)的操作非常逼真，模型的運動與觸摸屏的顯示達到了高度的一致，操作模型的效果比較真實。實際的仿真畫面如下圖3所示。

4 結(jié)束語

圖3 系統(tǒng)仿真畫面

筆者基于PLC研制了一臺虛擬裝備車，某型號武器系統(tǒng)的訓練器材與該器材相比原理相同，只是裝備更多，模型更為復雜。該套虛擬訓練器材在操作、技術(shù)要求等各方面與實際裝備幾乎相同，解決了部隊某型號武器系統(tǒng)的模擬訓練操作，實用性強，訓練效果非常明顯，給部隊帶來了很好的實際效益，此類系統(tǒng)無論在民用領域還是在軍事領域都具有很好的推廣價值。

［1］華力創(chuàng)通,仿真系統(tǒng)事業(yè)部,北京華力創(chuàng)通科技有限公司.Vega Prime培訓教材[Z].2003,12.

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