基于Irai的啤酒生產線虛擬控制平臺設計與實現

劉繼光, 袁 浩, 汪 澤, 王 玥

(天津大學 電氣與自動化工程學院, 天津 300072)

基于Irai的啤酒生產線虛擬控制平臺設計與實現

劉繼光, 袁 浩, 汪 澤, 王 玥

(天津大學 電氣與自動化工程學院, 天津 300072)

為解決教學設備不足的問題,將學科專業與信息技術深層融合,提出了一種利用3D圖形作為虛擬被控對象的全新的控制思路。通過建立虛擬啤酒生產線的三維立體模型、模型動作設置、PLC與虛擬控制平臺的通信,實現PLC對虛擬生產線的控制。由虛擬對象代替實際生產線,很大程度上解決了由于設備不足所帶來的問題,推進了實驗教學信息化建設和實驗教學資源開放共享。

虛擬控制平臺； 啤酒生產線； PLC；Irai； 3D模型

在自動化領域的生產實踐中,PLC(可編程控制器)因其具有操作簡單、可靠性高、功能強等優點而得到了廣泛的應用[1-3],國內外很多高校都設有開放式PLC實驗平臺[4-7]。但目前國內高校PLC實驗室建設存在的主要問題是:(1)受到實驗室具體環境限制,實際工控設備數量有限,很難滿足全部的教學需求；(2)教學過程中PLC調試所帶來的程序錯誤在所難免,產生了“實訓性”和“安全性”之間的矛盾。

天津大學電氣與自動化實驗中心于2010年與三菱電機自動化(中國)有限公司合作建設了一條基于三菱FA裝置的實踐教學模擬啤酒生產線,在實踐教學過程中起到了很好的作用[8]。為貫徹教育部《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》,推進虛擬仿真實驗教學平臺的建設,筆者結合先進的虛擬平臺在實驗教學中的應用[9-11],提出一種全新的利用高仿真度虛擬被控對象取代實際生產設備的教學思路。在PC機上構建真實設備的3D模型,通過虛擬控制平臺和PLC之間的通信,實現PLC的真實I/O對于虛擬對象的控制,將虛擬平臺的應用作為“實訓”的前期準備,很大程度上彌補了實際硬件配置數量的不足。

1 Irai軟件簡介

Irai軟件的設計初衷是為企業和研究機構提供實驗平臺,使提出的理論與開發的程序可以在虛擬平臺上首先進行驗證,不合理的地方及時在PC機中修改即可(見圖1)。而建造或完善實際的硬件設備可以根據虛擬成品進行,使得研究的效率和安全性大幅提升。

圖1 Irai軟件的設計過程

主體仿真軟件Virtual Universe Pro(VU Pro)是Irai軟件中最主要的操作平臺。它可以通過導入機械零件或自動化設備的3D模型,在計算機所創建的虛擬環境下仿真零件或設備的運行過程,以檢查機械產品結構和控制過程軟件程序上的合理性。這是一種和實際系統相關度極高的仿真。

通信軟件U Gateway(UG)是Irai的通信組件,起著重要的連通作用?？删幊炭刂破鰿PU若要控制VU Pro軟件中的模型,就要通過UG的“橋梁”作用,將PLC程序里的軟元件所對應的地址寫入VU Pro中相對應的零件,通過UG軟件的運行,實現CPU對虛擬模型的控制。

2 3D模型建立

虛擬控制平臺的虛擬被控對象是實際生產設備的3D圖像。構建虛擬控制平臺的第一步應根據生產線各分部的設備圖紙和具體裝配情況建立3D模型。本文以啤酒灌裝線的打蓋分部為例,闡述基于Irai的模擬啤酒生產線虛擬控制平臺的設計問題。

2.1 繪制3D模型

很多三維構圖軟件都可以根據工程圖紙得到實際生產設備的三維模型。筆者選用的是常用的SolidWorks軟件,通過繪制、裝配,得到打蓋分部的3D裝配圖(見圖2)。

圖2 打蓋分部在Solidwords中的模型圖

2.2 VU Pro中的3D模型

VU Pro是仿真的主體平臺,整個虛擬控制平臺的構建工作都是在該仿真平臺上完成。若要使繪制的三維模型能實現生產設備的各種功能動作,首先需要將制圖軟件(SolidWorks、Pro/Engineer等)中的3D模型導入VU Pro中,例如圖3所示。

在模型導入到VU Pro中的初始階段,每一個零件都是可移動的,每一個零件也都是獨立的個體,沒有從屬關系,也不具備物理屬性和運動能力。它們只是根據圖紙中的相對位置拼湊在一起的,若要完成與實際生產設備相一致的動作,還需要進一步設置。

圖3 VU Pro軟件中打蓋分部模型

3 3D模型設置

3.1 parent-son tree(父子級別關系)的設置

在實際系統中,不同零件可以通過機械結構連接成為一個整體,從而共同完成相應動作。虛擬模型中實現同樣的功能,就需要將某一個中心零件設置為parent(父級),其他從動零件設置為son(子級),之后將他們共同完成的動作定義給父級,就可以實現父子級零件作為一個整體共同運動。

在一個復雜系統中,正確地設置父子級別關系可以使模型更為清晰,在符合邏輯的基礎上大大減少工作量。各個父子級關系如圖4所示。

圖4 典型父子級關系圖

3.2 behavior(動作)設置

動作是Irai軟件的靈魂,根據最終需要實現的目標給每一個零件賦予動作是實現虛擬工藝流程的基礎。VU Pro中所包含的動作類型有Conveyor Displacement、Resource Displacement、Test、Properties、Code、I/O和Other等7種。在每一個類別中還包含很多具體的動作類型,比如沿x軸旋轉、沿y軸移動、從外界讀取信息等。動作的設置需要符合邏輯關系,并不斷進行實際測量,調整動作的具體參數,如旋轉角速度、直線運動加速度等。根據三菱Q系列編程規范[3,12-14]和生產線的實際動作,在啤酒生產線打蓋分部中所需要設定的動作有:2條傳送帶的運轉、瓶的位移、大小星盤的旋轉、氣動推瓶機械手的動作、電機驅動的打蓋機械手動作等。

3.3 Detailed properties(細節參數)的設置

Irai軟件之所以可以做到高度仿真,原因就是有細節參數的存在,它可以很大程度地讓虛擬模型具有實際物體的屬性。例如physic(物理屬性),在模型導入之初,如果兩個虛擬零件發生相對運動,它們會彼此穿過繼續保持原來的運動狀態。但如果激活physic,零件就會像實際零件一樣發生碰撞,產生力的作用。這樣的細節參數是保證Irai軟件可以完成虛擬工藝流程的關鍵要素。

在打蓋分部中,所設計的細節參數有瓶子在傳送帶以及推瓶機械手作用下的實際物理狀態(包括正常狀態和瓶子的倒下)、瓶蓋在運送過程中的自然跌落等。細節參數的設置一方面有助于提高視覺效果，另一方面為虛擬控制平臺的使用者在編寫控制程序時提供了很好的參考。

3.4 控制平臺與PLC通信連接

當軟件內部虛擬模型建立以后,還需要與外部控制器(PLC)連接。為實際設備提供輸入/輸出信號的硬件零件會在PLC中對應不同的軟元件,即寄存器地址；而寄存器地址又會在VU Pro軟件中存在相對應的動作。因此只需通過UG軟件,將寄存器地址賦給相應動作,即可完成通信。

在通信連接的過程中,一項重要的工作是在UG軟件中根據所選用的PLC型號以及通信接口類型創建一個通信工程,當工程創建并與PLC建立通信之后,即可實現控制平臺與PLC通信連接。筆者選用的是與控制實際對象相一致的三菱Q系列PLC、USB通信方式。

4 結束語

本文應用虛擬控制平臺的Irai系列軟件,將原有

的控制模式變成了更加高效、便捷、安全的新模式,降低了自動化技術研發過程中對設備的依賴以及實驗的風險性,同時其高仿真性以及強擴展性使其能夠很好地應用于包括PLC在內的各種主流控制系統。

用虛擬被控對象代替實際被控對象,通過搭建高仿真度的虛擬控制平臺,實現PLC對于虛擬被控對象的控制,在保證了“實訓性”的基礎上,很大程度上解決了實驗設備不足的問題,并避免由于程序錯誤引發安全問題。這種虛擬控制平臺應得到進一步研究與應用。

References)

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Design and implementation of virtual control platform of simulated beer production line based on Irai

Liu Jiguang, Yuan Hao, Wang Ze, Wang Yue

(School of Electrical Engineeringand Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

This paper describes a new control idea in which 3D graphics are used to be virtual controlled object,in order to solve the problem in the teaching process caused by the lack of experimental equipment. This control idea is the combination of specialty and information technology. By means of drawing 3D models of simulated beer production line,setting behaviors of models,building communication between PLC and the virtual control platform,finally the virtual production line can be controlled using PLC. The problem caused by the lack of experimental equipment can be solved to a great extent by using the virtual models instead of the real one. The virtual control platform promotes the development of the informative experimental teaching and resources sharing.

virtual control platform; beer production line; PLC; Irai; 3D model

2015- 03- 27

劉繼光(1958—),男,天津,大專,工程師,研究方向為電力電子與電氣傳動實驗教學

E-mail：zdhljg@tju.edu.cn

袁浩(1959—),男,天津,碩士,高級工程師,研究方向為自動控制理論應用及實驗教學.

E-mail：zdhyh@tju.edu.cn

TP273+.5

A

1002-4956(2015)6- 0127- 03