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 士官職業技術教育學院，山東 青州 262500）

0 引言

當今世界，在很多高精密儀器裝備領域，為實現對操作人員的培訓，經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對儀器裝備帶來的損害。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 系統結構原理圖

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換為數字信號，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。其總體結構圖如圖1所示，其中，PLC與觸摸屏之間通過西門子的專業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通訊協議進行連接。

2 系統軟件設計

筆者以控制裝備車模型的運動為例進行闡述，實際的某型號系統模型控制與裝備車模型原理相同，只是節點更多，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發送命令，單片機接收到PLC的命令后將其轉化為相應指令發給上位機，上位機根據指令發出控制信號，控制場景中的模型動作，最終實現模型的動作控制。

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，具有良好的性能，系統可靠性高、穩定性好，可交互構建三維模型用于創建相關聯的現實事物。其強大的建模功能可為許多不同類型的圖像發生器提供系統的建模工具，它的層次細節(LOD)、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優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標準。在調用模型時可以直接控制節點的各個自由度上的運動來實現模型的運動控制，要改變模型的空間位置，可以真接調整節點的空間位置即可，操作非常簡單，易于實現。

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)的初始狀態等參數，配置完成后保存為應用程序定義文件(*.adf)，以備調用。 另外，通過設立多觀察者（Observer）與多通道（Channel）可以實現模擬的多視角的觀察與控制。

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

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——從微型面板到PC——多設備項目和設備開關面向解決方案——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動機進行檢查，以確保其正常工作，它是通過發動機的聲音文件表現出來的，啟動時發動機響，停止時，發動機不再響。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、右轉以及停止控制，另外還包括各個狀態之間的轉換。

3 系統仿真結果

筆者利用Visual C++編程時使用sleep()函數實現延時，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 結束語

圖3 系統仿真畫面

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］華力創通,仿真系統事業部,北京華力創通科技有限公司.Vega Prime培訓教材[Z].2003,12.

［2］楊龍,劉成文.基于Creator和Vega的通信對抗模擬訓練三維視景仿真設計[J].電子測試,2009(5)：5,6-8.

［3］佘建國,林琦,陳寧.基于Matlab、VC++和Vega的潛航器控制及訓練系統仿真[J].船海工程,2009,6,38(3)：59-63.

［4］高強,常本康,錢蕓生.基于單PC機的光電瞄具模擬訓練系統設計與實現[J].計算機仿真,2004,6：43-45.