PLC虛擬仿真被控對(duì)象的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

張 蕾,劉海龍

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲412001）

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早誕生于美國，經(jīng)過人們不斷的研究，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到許多領(lǐng)域[1]。近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在教育與培訓(xùn)領(lǐng)域的實(shí)例也逐年見長?；?D虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式十分生動(dòng)形象，使學(xué)生可以在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間隨意轉(zhuǎn)換[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)備在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越受到人們的重視，它可以給大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的科研工作帶來一定的幫助，也可以給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來一種新的教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

2 PLC傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

PLC傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在以下問題。

(1)采用單一的指令式、編程化教學(xué)模式，當(dāng)課程缺少實(shí)物PLC 及被控對(duì)象時(shí)，教學(xué)容易陷入指令講解和枯燥的編程中，無法深入展示指令應(yīng)用、驗(yàn)證編程結(jié)果，更缺少硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)[3]。

(2)實(shí)踐教學(xué)用的高端控制器及被控對(duì)象價(jià)格昂貴，生產(chǎn)線占地面積大，導(dǎo)致學(xué)校實(shí)踐資源種類單一、設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足[4]，一些高危、高耗、體積龐大的對(duì)象更是無法在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)[5]。

(3)傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備大部分采用實(shí)訓(xùn)掛件，而且每一種控制對(duì)象就需要一個(gè)掛件，通過指示燈或簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)對(duì)象的變化模擬現(xiàn)場(chǎng)工作。這種方式一定程度上解決了學(xué)生的認(rèn)知和動(dòng)手能力問題，但控制對(duì)象需求量大，動(dòng)作不直觀、不形象，學(xué)生興趣低，教學(xué)效果較差。由于掛件種類多，一般一個(gè)PLC 實(shí)驗(yàn)室至少需要配置十到二十種控制對(duì)象掛件，成本較高，存放不方便，占空間較大。

虛擬仿真技術(shù)是信息化、大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下的產(chǎn)物，開辟了一種嶄新的實(shí)踐教學(xué)方式[5]。利用虛擬仿真技術(shù)，將真實(shí)的被控對(duì)象軟件化，可以直觀、形象的展現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作狀態(tài)。將虛擬仿真被控對(duì)象應(yīng)用于教學(xué)，可以豐富實(shí)踐資源[6]，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的動(dòng)手能力，從而滿足我們對(duì)培養(yǎng)高技能人才的需求[7]。

3 解決PLC 傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)問題的必要性與途徑

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality Technology)是信息科學(xué)領(lǐng)域一類新興的工程技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)和多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和智能決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科，其最大的特點(diǎn)是使人們可以將任何想象的環(huán)境虛擬實(shí)現(xiàn)。

開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的PLC 被控對(duì)象，正是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，它可以讓學(xué)生完全“逼真”地體驗(yàn)真實(shí)工作環(huán)境下的控制操作，進(jìn)而可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。本設(shè)計(jì)旨在將多種不同控制對(duì)象的工作過程進(jìn)行仿真，并運(yùn)行在嵌入式一體機(jī)平臺(tái)，通過統(tǒng)一接口裝置提供外部控制接口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備取代原來多個(gè)控制對(duì)象掛件的功能。從而達(dá)到有限資源多元共享，有效地解決相關(guān)專業(yè)建設(shè)過程中設(shè)備與場(chǎng)地的問題，對(duì)提升身體專業(yè)建設(shè)水平和培養(yǎng)符合現(xiàn)代社會(huì)需要的高技能人才具有重要的意義。

4 PLC虛擬仿真被控對(duì)象的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)平臺(tái)主要采用C#語言進(jìn)行開發(fā)，虛擬現(xiàn)實(shí)部分使用unity3D技術(shù)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL。MySQL是一個(gè)功能齊全的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)，MySQL由瑞典公司MySQL AB贊助，該公司由Oracle公司擁有。

4.1 3D動(dòng)畫設(shè)計(jì)與構(gòu)建

動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與構(gòu)建主要通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來完成，包括室內(nèi)外環(huán)境、虛擬人物、服裝、工具、量具、材料等。通過SDK直接調(diào)用unity實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景并進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互以及邏輯的計(jì)算?；蛘咄ㄟ^UDP進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊，將各種請(qǐng)求通過計(jì)算后得到的結(jié)果傳回虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中根據(jù)不同結(jié)果進(jìn)行不同模擬顯示。3D動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與構(gòu)建主要步驟包括創(chuàng)作腳本、角色和場(chǎng)景制作、動(dòng)畫制作、添加材質(zhì)和燈光及渲染。

首先，根據(jù)PLC 課程的內(nèi)容，選擇需要建立的項(xiàng)目，根據(jù)控制要求，創(chuàng)建各項(xiàng)目的腳本。以滿足教學(xué)的需求，本設(shè)計(jì)選取了12個(gè)項(xiàng)目，如表1。

表1 實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目名稱

第二、在3D Studio Max(基于PC 系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件)三維建模軟件中，搭建項(xiàng)目所需要的環(huán)境模型，人物模型，物件模型等，如圖1和圖2。

圖1 小車物件模型構(gòu)建

圖2 機(jī)械手模型構(gòu)建

第三、人物的動(dòng)作動(dòng)畫制作和調(diào)試是互動(dòng)虛擬的重要一環(huán)，需要根據(jù)項(xiàng)目要求，制作好所有互動(dòng)動(dòng)作，如圖3。

圖3 人的動(dòng)畫制作

第四、添加材質(zhì)和燈光。通過燈光和材質(zhì)的靈活運(yùn)動(dòng)可以使生硬的模型具有生命力和活力，使對(duì)象或真實(shí)、或虛幻、或朦朧，看上去美輪美奐。如圖4和圖5。

圖4 小車添加材質(zhì)和燈光

圖5 機(jī)械手添加材質(zhì)和燈光

第五、渲染。它是三維動(dòng)畫的最后一道工序，也是最終使圖象符合最初設(shè)定的3D場(chǎng)景的階段。建模完成后，將文件轉(zhuǎn)化為特殊格式，導(dǎo)入虛擬引擎，在優(yōu)秀引擎的支持下，導(dǎo)入復(fù)雜的環(huán)境，先對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，然后是人物、物件，并建立起環(huán)境的“碰撞”功能，將人物動(dòng)作調(diào)試設(shè)置后，會(huì)得到一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)境漫游效果，為后期程序制作做準(zhǔn)備。如圖6。

圖6 小車渲染

4.2 虛擬仿真實(shí)現(xiàn)

3D動(dòng)畫設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入后期的程序制作，來驅(qū)動(dòng)界面的運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)的傳送，邏輯控制等。如圖7。

圖7 虛擬仿真被控對(duì)象界面示意圖

被控對(duì)象系統(tǒng)運(yùn)行在嵌入式一體機(jī)平臺(tái)，并通過統(tǒng)一接口系統(tǒng)提供外部控制接口。通過PLC 的控制，在界面上顯示動(dòng)畫的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。如圖8-10。

圖8 被控對(duì)象系統(tǒng)進(jìn)入界面

圖9 小車裝料過程

圖10 工人上工件過程

5 結(jié)束語

PLC 虛擬仿真被控對(duì)象的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，能夠有效的解決目前實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)教學(xué)中的一些難題，用一個(gè)被控對(duì)象能替代之前多種控制對(duì)象掛件，節(jié)約成本，減少存放空間問題，同時(shí)，能將被控對(duì)象的動(dòng)作直觀、形象的展示給學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，有效提高了教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量，PLC 虛擬仿真被控對(duì)象值得在教學(xué)中被廣泛推廣與應(yīng)用。后續(xù)將繼續(xù)研究通過此被控對(duì)象直接連接外部的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，將更真實(shí)的接近現(xiàn)場(chǎng)工作。