基于Unity 3D的PLC立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)研究

葉 炯，徐曉光，郝旭耀，張久超

基于Unity 3D的PLC立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)研究

葉 炯1,2，*徐曉光1,2，郝旭耀3，張久超1,2

（1.安徽工程大學(xué)高端裝備先進(jìn)感知與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽，蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽，蕪湖 241000；3.安徽佐標(biāo)智能科技有限公司，安徽，蕪湖 241000）

在教學(xué)環(huán)節(jié)中因缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，智能倉(cāng)儲(chǔ)相關(guān)課程實(shí)踐程度不夠會(huì)導(dǎo)致教學(xué)效果差。我們使用Unity 3D虛擬引擎，進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)節(jié)的三維建模與仿真，開(kāi)發(fā)一款運(yùn)行簡(jiǎn)便、注重動(dòng)手實(shí)操的PLC立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用威綸通觸控屏實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)控制，西門(mén)子S7-1200PLC根據(jù)觸控屏指令控制倉(cāng)儲(chǔ)出入庫(kù)動(dòng)作，Unity 3D立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)展示實(shí)時(shí)控制效果。該系統(tǒng)可降低PLC立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)學(xué)習(xí)成本，實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程效果模擬。虛擬仿真結(jié)果驗(yàn)證表明，該P(yáng)LC立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)可以滿足基本的教學(xué)要求，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)踐能力以及推進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)的信息化建設(shè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

虛擬仿真；立體倉(cāng)儲(chǔ)；Unity 3D； PLC

0 前言

隨著人工成本不斷增高，倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)也趨向于實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)，智能立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)不僅能大幅度節(jié)省人力資源，減少人力成本，而且還能將物品輸送到指定倉(cāng)庫(kù)位置，做到更好的倉(cāng)儲(chǔ)管理，同時(shí)減少了車(chē)輛待裝待卸時(shí)間，可大大提高倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)周轉(zhuǎn)效率和降低儲(chǔ)存成本[1]。

目前的倉(cāng)儲(chǔ)編程教學(xué)環(huán)節(jié)中，不容忽視的是實(shí)踐環(huán)節(jié)在學(xué)習(xí)與應(yīng)用中重要地位[2]。若采用實(shí)地操作的方式，直接在真實(shí)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中編寫(xiě)程序，實(shí)訓(xùn)效果較好，但這種方式對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)危險(xiǎn)性較大，需要一定的基礎(chǔ)硬件設(shè)施，設(shè)備單一且更新困難，需請(qǐng)專業(yè)人員維護(hù)，倘若設(shè)施不完備，無(wú)法直觀感受執(zhí)行效果，實(shí)訓(xùn)教學(xué)將無(wú)法正常的進(jìn)行[3]。

針對(duì)現(xiàn)有的立體倉(cāng)儲(chǔ)傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，使用Unity 3D引擎利用三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了集模擬性、交互性于一體的PLC立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)。該虛擬仿真平臺(tái)易維護(hù)、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)，打破教學(xué)時(shí)空的限制[4]，可以提升學(xué)習(xí)效果，用戶可按自己的想法搭建不同的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境，根據(jù)編寫(xiě)的程序模擬執(zhí)行效果，又進(jìn)一步地幫助完善程序改進(jìn)[5]。該仿真平臺(tái)在增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)的基礎(chǔ)上保障了人身安全，同時(shí)減少了相同程度下的教學(xué)成本[6]，突破了教學(xué)條件的約束，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 系統(tǒng)框架

1.1 Unity3D引擎

虛擬仿真（Virtual Reality）的目的是讓用戶可借助聲音、圖像等多種方式與虛擬世界進(jìn)行自然的交互。這種三維虛擬世界是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，逼真性和實(shí)時(shí)交互性是系統(tǒng)的關(guān)鍵[7]。它為用戶提供一個(gè)三維界面，實(shí)時(shí)的反映虛擬對(duì)象的變化與相互作用，用戶可直接參與并探索虛擬對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化[8]。

Unity3D引擎可為系統(tǒng)仿真提供底層支撐，包括建模、行為、交互，從而實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試、可視化交互、培訓(xùn)指導(dǎo)等工業(yè)應(yīng)用，支持代碼驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)模式，其腳本程序采用C#編寫(xiě)。

1.2 半實(shí)物仿真

半實(shí)物仿真是將數(shù)學(xué)模型與連接真實(shí)設(shè)備相結(jié)合完成系統(tǒng)聯(lián)合仿真。保證實(shí)時(shí)性是仿真的關(guān)鍵，根據(jù)立體倉(cāng)儲(chǔ)虛擬仿真平臺(tái)的特點(diǎn)，采用以下方式實(shí)現(xiàn)該仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)：實(shí)體的西門(mén)子PLC和PC端的三維虛擬場(chǎng)景之間數(shù)據(jù)的傳輸直接采用以太網(wǎng)連接，使用S7通訊來(lái)完成。HMI觸控屏組態(tài)控制整個(gè)系統(tǒng)，西門(mén)子PLC為實(shí)體設(shè)備，為被控對(duì)象建立三維數(shù)學(xué)模型，根據(jù)虛擬場(chǎng)景的運(yùn)行效果調(diào)試智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的控制程序。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。首先在3dsMax搭建智能立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)需要的基本模型，使用Unity3D平臺(tái)為導(dǎo)入的模型編寫(xiě)控制腳本程序，使用HMI觸控屏編寫(xiě)組態(tài)界面，控制PLC系統(tǒng)的運(yùn)行，而PLC與立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)控制效果在PC端的實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2 建模與實(shí)現(xiàn)

2.1 開(kāi)發(fā)流程

首先在繪制模型之前將仿真意義不大的零件剔除，僅保留仿真模型的主要部件，在SolidWorks中根據(jù)實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)1:1繪制模型，導(dǎo)入3ds Max減少模型的冗余面來(lái)完成模型渲染優(yōu)化，再將.FPX格式的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D平臺(tái)，設(shè)置尺寸比例，添加約束條件及模型碰撞屬性，系統(tǒng)功能腳本采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，在該平臺(tái)對(duì)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行效果的展示[9]。

2.1.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)與工具

表1為采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)與工具。

表1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)與工具

Table 1 Development platforms and tools

開(kāi)發(fā)平臺(tái)和工具功能 SolidWorks模型建立 3Ds Max渲染優(yōu)化 Unity3D虛擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā) Visual Studio 2019編寫(xiě)腳本程序 EBproV6.03.02觸控屏組態(tài)

選用具有強(qiáng)大的跨平臺(tái)特性與出色的渲染效果的Unity 3D作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)[10]；主流的三維CAD軟件Solidworks完成3D模型的建模；基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件3ds Max模型優(yōu)化功能強(qiáng)大，可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。

2.1.2 模型的建立和優(yōu)化

實(shí)體設(shè)備中包含的許多碎小零件對(duì)仿真意義不大，反而會(huì)提高繪制模型的難度，而且會(huì)增加計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量、減慢仿真速度，所以繪制模型時(shí)將這些小零件剔除，僅保留仿真模型的主要部件，起到簡(jiǎn)化模型效果[10]。在Solidworks中依據(jù)實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)繪制模型后將文件導(dǎo)入3ds Max完成孤立頂點(diǎn)的檢查和移除，減少存儲(chǔ)體積。方便在 Unity3D中進(jìn)行后續(xù)的開(kāi)發(fā)。

以倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)為例，主要分為3個(gè)部分，中間的主體部分及左右兩邊的支撐架。其中主體部分由上下軌道、立柱組成。立柱包含載貨臺(tái)與伸縮叉機(jī)構(gòu)。忽略其電氣系統(tǒng)，采用虛擬配置接線的方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)體PLC的控制。

2.1.3 模型導(dǎo)入與設(shè)置

Unity3D 軟件導(dǎo)入優(yōu)化好的三維模型，使用transform.setparent(transform)為模型各個(gè)零部件之間設(shè)置父子關(guān)系，如圖2所示為倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)模型構(gòu)成圖。

圖2 倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)模型構(gòu)成

將模型中的軸設(shè)置為對(duì)象的中心，并為其添加材質(zhì)等操作后，仿真平臺(tái)中倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)模型如圖3所示。

圖3 倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)模型

2.2 模型功能實(shí)現(xiàn)

倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能，堆垛機(jī)主體可實(shí)現(xiàn)X方向和Y方向的移動(dòng)，其中堆垛機(jī)高度固定，橫向長(zhǎng)度可隨用戶設(shè)置，采用三級(jí)貨叉結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)正向與反向伸出，伸縮叉以托舉的形式運(yùn)輸物料。通過(guò)對(duì)其添加腳本程序，實(shí)現(xiàn)仿真控制效果。倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)模擬控制信號(hào)如圖4所示，可將模擬控制接口與PLC進(jìn)行虛擬的配置接線，用PLC控制其完成不同的動(dòng)作。

圖4 倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)模擬控制信號(hào)

實(shí)體西門(mén)子S7-1200PLC通過(guò)以太網(wǎng)與PC端主機(jī)相連，立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)與西門(mén)子PLC以S7協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。使用DO信號(hào)控制伸縮叉使能與方向，PLC的軸工藝控制堆垛機(jī)X軸與Y軸位置。

2.2.1 連接PLC設(shè)備

西門(mén)子S7-1200PLC與Unity 3D虛擬平臺(tái)采用S7通訊，輸入PLC的IP地址與端口號(hào)，完成虛擬平臺(tái)與PLC設(shè)備的連接。

通過(guò)NetworkManager命令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，當(dāng)按下連接按鈕，系統(tǒng)獲取輸入的PLC地址與端口號(hào)

2.2.2 橫軸運(yùn)動(dòng)控制

堆垛機(jī)的主體可實(shí)現(xiàn)X軸與Y軸方向運(yùn)動(dòng)，X堆垛機(jī)橫向大小可調(diào)整，設(shè)置其橫向最小值為-10，即左限位。右限位為用戶設(shè)置的橫向大小最大值。

2.2.3 伸縮叉使能與方向

伸縮叉方向DO信號(hào)為低電平時(shí)狀態(tài)默認(rèn)為正，若此時(shí)打開(kāi)伸縮叉使能，伸縮叉正向伸出；若伸縮叉方向DO信號(hào)為高電平，此時(shí)打開(kāi)伸縮叉使能，伸縮叉反向伸出。

3 平臺(tái)測(cè)試

完整控制過(guò)程如圖5所示。HMI觸控屏輸入出入庫(kù)地址并點(diǎn)擊啟動(dòng)，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，物料生成后隨著皮帶線運(yùn)送到進(jìn)倉(cāng)口位置，由傳感器感應(yīng)并停止皮帶動(dòng)作，定位氣缸固定好物料位置后松開(kāi)，堆垛機(jī)接收信號(hào)開(kāi)始動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)到進(jìn)倉(cāng)口，到位之后伸縮叉動(dòng)作，將物料送入庫(kù)中設(shè)定的位置；出倉(cāng)口則是相反，即堆垛機(jī)利用伸縮叉從庫(kù)中取物料，然后送到出倉(cāng)口，傳感器感應(yīng)到物料后，啟動(dòng)皮帶運(yùn)輸走，至此，一個(gè)完整過(guò)程結(jié)束。

圖5 出入庫(kù)流程圖

搭建如圖6所示場(chǎng)景。

圖6 立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)界面

立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)中的其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同的仿真功能，如“物料生成”的使能開(kāi)關(guān)打開(kāi)，生成長(zhǎng)方體物料，將其放置在入庫(kù)皮帶線最前端。物料接觸到“物料消失”后立即消失，將其放置在出庫(kù)皮帶線最末端。

對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行虛擬接線如表2所示，堆垛機(jī)X軸伺服，Y軸伺服分別連接PLC軸1與軸2，伸縮叉使能和方向連接DO信號(hào)，皮帶線方向和使能，及定位氣缸連接DO信號(hào)，光電檢測(cè)，啟動(dòng)與急停按鈕連接DI信號(hào)，皮帶線速度連接PLC浮點(diǎn)數(shù)據(jù)。

首先編寫(xiě)PLC程序點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，物料生成，由入庫(kù)皮帶線運(yùn)輸，當(dāng)入庫(kù)光電檢測(cè)到物料后，皮帶線停止，定位氣缸夾緊物料，固定其位置后，松開(kāi)氣缸。等待下一步指令。根據(jù)觸控屏界面輸入的入庫(kù)的行列，點(diǎn)擊入庫(kù)按鈕，PLC接收到入庫(kù)指令，伸縮叉運(yùn)動(dòng)到取料位置處。圖7為PLC取料程序。

表2 模型虛擬接線表

Table 2 model virtual wiring table

序號(hào)場(chǎng)景模型接口控制接口備注 1倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)X軸伺服M01倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)X軸動(dòng)作 2倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)Y軸伺服M02倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)Y軸動(dòng)作 3倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)伸縮叉方向Q10.5取送物料 4倉(cāng)儲(chǔ)堆垛機(jī)伸縮叉使能Q10.4取送物料 5出庫(kù)皮帶線使能Q10.2運(yùn)輸 6入庫(kù)皮帶線使能Q10.0運(yùn)輸 7入庫(kù)皮帶線方向Q10.1運(yùn)輸 8入庫(kù)光電遮擋I10.1感應(yīng)物料 9急停按鈕閉合I11.0急停 10啟動(dòng)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)I10.0啟動(dòng) 11定位氣缸氣缸使能Q10.3固定物料 12皮帶速度速度控制FO00速度 13造物生成使能Q10.6生成物料

圖7 PLC取料程序

然后完成HMI觸摸屏組態(tài)界面的布局如圖8所示，包括有系統(tǒng)啟停以及急停按鈕，出入庫(kù)選擇與輸入框，手動(dòng)X軸與Y軸控制。

圖8 HMI觸控屏界面

控制程序編寫(xiě)完畢，可以實(shí)現(xiàn)立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)的運(yùn)作，點(diǎn)擊觸控屏啟動(dòng)按鈕，輸入入庫(kù)地址。下面是仿真結(jié)果，到達(dá)取料位置后，伸縮叉伸出（圖9）。

圖9 堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)到取料位置

堆垛機(jī)Y軸運(yùn)動(dòng)，伸縮叉上移取得物料（圖10）。

圖10 伸縮叉取料

伸縮叉連帶物料一同縮回，堆垛機(jī)X軸與Y軸移動(dòng)到放料位置處（圖11）。

圖11 伸縮叉縮回

到達(dá)放料位置后，伸縮叉反向伸出，堆垛機(jī)Y軸下降，將物料放于倉(cāng)庫(kù)指定的行列中。入庫(kù)動(dòng)作完成，堆垛機(jī)返回原點(diǎn)（圖12）。

圖12 伸縮叉放料

仿真結(jié)果表明，立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與實(shí)物平臺(tái)一致的實(shí)驗(yàn)效果，提供了一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)、直觀、高效的立體倉(cāng)儲(chǔ)學(xué)習(xí)環(huán)境，可以滿足基本的教學(xué)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，基于Unity 3D的立體倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)運(yùn)行流暢，解決了部分院校倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)備欠缺的束縛，為學(xué)生進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)學(xué)習(xí)提供了一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的環(huán)境。通過(guò)該平臺(tái)學(xué)生可以快速、準(zhǔn)確地編寫(xiě)并調(diào)試程序，分析倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中被控對(duì)象的運(yùn)行效果，能更多地了解立體倉(cāng)儲(chǔ)的工作流程。同時(shí)減少了相同程度下的實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本，避免了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操的設(shè)備損壞和安全隱患。

將此平臺(tái)作進(jìn)一步改善，考慮利用Unity3D平臺(tái)添加更多的工業(yè)仿真設(shè)備，讓學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)到更多的工業(yè)設(shè)備控制學(xué)習(xí)；并借助頭盔或眼鏡進(jìn)行虛擬場(chǎng)景AR效果的展示，增強(qiáng)沉浸感。

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PLC THREE-DIMENSIONAL WAREHOUSING SIMULATION SYSTEM BASED ON UNITY 3D

YE Jiong12,*XU Xiao-guang12, HAO Xu-yao3, ZHANG Jiu-chao12

（1. Key Laboratory of Advanced Perception and Intelligent Control of High-end Equipment, Ministry of Education Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China; 2. School of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China;3. Anhui Zuobiao Intelligent Technology Company, Wuhu, Anhui 241000, China）

In the teaching process, due to the lack of experimental equipment and the insufficient practice of intelligent warehousing related courses, the teaching effect is poor. The unity 3D virtual engine is used to carry out the three-dimensional modeling and simulation of warehousing and logistics, and develop a PLC three-dimensional warehousing simulation teaching system with simple operation and practical operation. The system uses the vialon touch screen to realize the warehouse in and out control, Siemens s7-1200plc controls the warehouse in and out action according to the touch screen instructions, and the unity 3D three-dimensional warehouse simulation system shows the real-time control effect. The system can reduce the learning cost of PLC three-dimensional storage system and realize the dynamic process effect simulation of warehousing. The virtual simulation results show that the PLC three-dimensional storage simulation system can meet the basic teaching requirements, and has strong guiding significance for improving students' practical ability and promoting the information construction of teaching links.

virtual simulation; stereoscopic warehousing; unity 3D; PLC

1674-8085（2022）03-0054-07

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2022.03.009

2021-11-20；

2022-02-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61903002)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2020A0350)；蕪湖市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2020cg12)；安徽工程大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目(xjky02201909)

葉 炯(1997-)，男，安徽黃山人，碩士生，主要從事先進(jìn)傳感與檢測(cè)技術(shù)研究(E-mail:1046399423@qq.com)；

*徐曉光(1972-)，男，安徽明光人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事自動(dòng)化系統(tǒng)集成、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)、信息檢測(cè)和嵌入式系統(tǒng)等方面的研究(xuxg@ahpu.edu.cn).