基于虛實結合的港口裝備控制實驗平臺

曹小華， 肖 揚， 程 詳

(1. 武漢理工大學 物流工程學院，湖北 武漢 430063；2. 天津港股份有限公司 科技設備部，天津 300461)

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基于虛實結合的港口裝備控制實驗平臺

曹小華1， 肖 揚2， 程 詳1

(1. 武漢理工大學 物流工程學院，湖北 武漢 430063；2. 天津港股份有限公司 科技設備部，天津 300461)

針對港口裝備控制實驗因缺乏相應實驗設備難以有效開展的現狀，提出了虛實結合的港口裝備實驗平臺概念。利用Flexsim軟件搭建起港口裝備的三維仿真控制模型，對其進行二次開發，實現將模型狀態信息寫入Excel電子表格并且同時從中讀取控制信號；利用WinCC組態軟件與PLC組態通訊，并且通過讀寫Excel實現控制信號與反饋信息在控制硬件PLC與虛擬模型之間傳遞。該實驗平臺突破了大型實驗裝備缺乏的限制，可為港口大型裝備相關控制實驗的開展提供對象模型，實現控制過程的三維可視化，對大型裝備實驗開展具有借鑒意義。

實驗平臺； Flexsim； 虛實結合； 港口裝備

0 引 言

基于硬件設備的傳統實驗室，由于受到時空間、經費及設備人員安全的限制，經常不能給學生提供足夠的硬件資源去完成相應的實驗[1]。如在港口物流大型裝備的控制實驗教學中，一方面缺乏資金與場地安置這類設備進行實驗教學；另一方面這種大型實驗往往涉及強電、高空等危險環境，實驗的安全性也需要考量，高校往往不能提供很好的設備以及場地進行教學實驗，造成應該有的實驗空缺或者達不到實驗的效果。

計算機仿真技術具有可視化、成本低、無場地環境限制、可控性強等優勢[2]，伴隨著圖形加速硬件的快速發展以及 3D 實時動畫引擎技術的日益成熟，3D 虛擬仿真設計近來被越來越多地引入教學環節之中，創新了傳統的教學模式[3]。高等學校往往針對理工科的實驗教學，設計了3D虛擬實驗教學系統[4]，這種虛擬實驗固然有很多優點，但實際工程中動手能力的培養還是離不開實物實驗的訓練，創新思想更是需要實踐去驗證，這就出現了如何正確處理虛擬實驗和實物實驗教學的關系問題[5]。

1 虛實結合實驗平臺的提出

對于港口裝備，以最具代表性的港口裝卸起重裝備為例。目前，國內外相關起重裝備的仿真研究有很多，但大多集中在離散系統建模仿真和模擬操作培訓的方面，屬于應用型的研究，針對性太強，這和高校教學實驗的目的并不相符。相關的離散仿真模型更多的是關注在基于離散系統建模仿真方法處理碼頭或者堆場的資源配置、運營管理、運營環節局部研究，但針對于單獨一個起重機單體控制調度任務的研究較為缺乏[6]，對于本文研究對象即港口裝備控制實驗平臺來說顯得太“虛”；而相關的模擬培訓設備則側重于通過虛擬現實技術實現培訓者感官效果與操作體驗與真實裝備一致，系統復雜冗余，目的集中在于裝備的操作培訓，并不能體現控制實驗的自由度，不能提供一個自由開發的實驗操作平臺讓師生有更大的實驗空間，對于本實驗平臺來說顯得又太僵化，太“實”。

目前有關研究，雖然它們都取得了相應的研究成果，但單獨作為本文研究的起點或藍本似乎都難以得到預期的效果，所以本文將這兩方面的研究成果結合起來，進行優勢互補，提出了基于虛實結合的實驗平臺解決方案。通過場景化的虛擬三維顯示模擬出一個逼真的實驗裝備環境以及真實的PLC硬件控制系統來作為設備控制實驗的操作平臺相結合，這樣一虛一實，破解港口裝備控制實驗難題，突破各種現實障礙，為師生提供一個良好的教學實驗平臺，節省實驗經費，保障實驗安全，達到實驗教學的目的。

本文采用Flexsim三維仿真技術，建立港口裝備三維仿真模型并進行二次開發，利用WinCC組態軟件及Excel電子表格搭建數據接口，將虛擬的計算機三維仿真模型和實際的PLC控制器等硬件設備組合，建立一套虛實結合的控制實驗平臺。平臺構成框圖見圖1。

圖1 平臺構成框圖

2 虛實結合控制實驗平臺的搭建

虛實結合控制實驗平臺是硬件控制與軟件三維仿真的結合，按照其搭建所用的技術手段，將建模過程分為Flexsim建模，WinCC組態，PLC控制。

2.1 Flexsim建模

Flexsim仿真軟件是一個面向對象的模擬仿真軟件[7]，借助其強大的三維建模功能，可以快捷地建立1個真實系統的 3D 計算機模型[8]，它具有完全的C++面向對象性，超強的3D虛擬現實(3D動畫)，直觀的、易懂的用戶接口，卓越的柔韌性(可伸縮性)[9]，而且其在圖形建模環境中集成了C++IDE和編譯器，十分便于二次開發；另外Flexsim中有一個效率非常高的仿真引擎，該引擎可同時運行仿真和模型視窗，可使實驗平臺實時提供三維控制仿真畫面。

結合實驗平臺研究，Flexsim模型建立分為幾何建模，數據調用，運動建模。

幾何建模中，Flexsim可以直接導入3DS (3D Studio)，VRML，3D DXF and STL等類型多種格式的文件，方便用戶在其它三維建模工具中建立三維模型然后導入。以岸橋起重機為例，本文利用這種方式建立了岸橋的三維裝備模型(用于替代實際裝備，作為三維顯示的控制載體)、虛擬三維場景(用以構建一個逼真的裝備環境如港口碼頭、船舶、建筑、背景等)的三維模型，Flexsim內置了虛擬現實瀏覽窗口，可以讓用戶添加光源、霧以及虛擬現實立體技術，效果見圖2。

圖2 岸橋港口幾何模型

在數據的調用方面，Flexsim可以利用ODBC(開放式數據庫連接)和DDEC(動態數據交換連接)來輸入輸出仿真數據，本文利用一個Excel電子表格作為數據庫結合ODBC的方式進行數據傳輸。使用Flexsim內置的模塊化的工具Excel的模塊，可以將一個Excel表格的數據全部或局部(設置起始和終止的行列)導入到Flexsim的全局表Global Table中；還可以利用IDE開發語句操作Excel，如Excellaunch(“C:/…”)語句打開計算機中的Excel文件，excelreadnum(numrow, numcol)語句讀Excel某一單元格的值，excelwritenum(num row,num col,num vauel)語句將數值寫入Excel某一個單元格；通過這些手段實現Flexsim與外部數據庫之間的連接調用。

為了實現模型的動態仿真控制，這里還需要對模型的屬性參數進行一系列的設置，在模型的觸發器中寫入相應的控制程序，通過讀取Flexsim全局表的值來判斷做出相應的動作，同時在完成1個動作后將反饋信號寫入Excel。為了實現仿真實體對控制信息的實時響應，本文利用發生器Source每隔0.1 s產生1個實體，在這個Source的Oncreation觸發器中編寫語句通過這個實體觸發讀取控制信號反饋狀態信息等。通過這樣我們的實驗裝備模型每隔0.1 s就會刷新一次全局表的信息，同時將狀態信息寫入Excel，實現動態響應與控制，信息刷新流程見圖3。

圖3 控制信息刷新流程圖

至此，就完成了Flexsim模型的幾何建模、數據調用和動態仿真控制的建模。

2.2 WinCC組態

WinCC是SIEMENS與Microsoft公司合作開發的、開放的過程可視化系統[10]，它提供主流的PLC系統通信通道，WinCC支持所有連接西門子S5/S7控制器，還包括PROFIBUS、DDE和OPC等非特定控制器的通信通道。

本文就是利用WinCC與Excel、VB的本地DDE通訊將PLC與仿真軟件平臺連接在一起了。利用其強大的組態以及訪問外部數據庫的功能，實現了WinCC全局VBS腳本定向采集、修改PLC特定變量以及對Excel進行修改、更新、讀寫等功能。

(1) 與PLC的組態。啟動WinCCExplorer，建立一個單用戶項目設置與PLC端口的通訊連接。然后在驅動程序連接下建立結構類型和元素，給過程變量分配1個在PLC中的對應地址(地址類型與通訊對象相關)[11]。

(2) 與Excel的通訊。啟動WinCC Explorer，在變量管理上添加新的驅動程序“Windows dde.ch”。在 DDE 上進行新的驅動程序連接，設置相應的屬性連接Excel文件[12]。利用WinCC全局腳本以及Excel，實現PLC與Flexsim軟件之間數據調用的流程，見圖4。在一些實驗平臺[13-15]研究中，數據通信往往是系統成敗的關鍵。

圖4 WinCC實現數據調用流程

2.3 PLC控制硬件

PLC控制器硬件作為實驗平臺的控制核心，提供控制主體，用以實驗教學編程控制，以及接收處理相關信號等。本文研究的虛實結合實驗平臺采用外部操作設備控制手柄，按鈕等與PLC連接作為輸入設備構成硬件控制系統，達到以硬件控制器驅動三維軟件仿真畫面的目的。

港口裝備有很多，包括門座式起重機、橋門式起重機、岸橋起重機等等，為了與實際控制系統盡可能相似，本文以岸橋的控制為例對PLC的控制要求進行分析，介紹實驗平臺是如何建立。岸橋的控制要求包括：大車行走、小車行走、懸臂俯仰、裝載貨物、貨物起升、總啟動開關、停機開關、急停開關、限位開關等，另外還需要具有對相關的信息數據進行反饋的功能。實驗平臺事先定義好輸入輸出的I/O點接口供學生編程時使用，以便與WinCC以及Flexsim的信息進行對接。

用1臺計算機作為上位機，WinCC通過RS232接口與PLC之間進行通信，以監控PLC的控制過程以及進行對PLC編程。控制柜面板上安裝有按鈕、指示燈、各種傳感器等與PLC的I/O端口連接。操作者既可以手動操作面板控制各子系統運行，也可以通過WinCC監控面板控制系統運行。

3 設備連接及調試

將PLC與計算機連接打開WinCC軟件進行組態，打開Flexsim模型點擊仿真運行，將仿真時鐘調整為1(也就是1∶1的時間)，首先利用組態軟件進行調試，點擊相應的控制界面上的按鈕觀察Flexsim中岸橋模型的運動，并觀察相應限位開關是否起作用。結合傳統的PLC控制試驗流程，在PLC編程器中根據設定好的I/O點位編寫相應的岸橋PLC控制程序，下載到PLC中，操作相關按鈕，可在仿真畫面上觀察到相同的動作效果，即驗證程序的正確性。

4 結 語

利用Flexsim三維動畫仿真結合PLC硬件控制搭建起的虛實結合的實驗平臺，使港口裝備的控制實驗教學能夠更好地開展，實驗不再需要這類大型裝備作為硬件支撐；通過逼真三維仿真，在考慮經濟型、安全性以及實用性并保證必要功能的基礎上，使得學生能夠更直觀地觀察裝備的結構特點以及控制效果，而不是像傳統的PLC控制實驗僅僅是觀察電機的運行或者是相應的指示燈的亮滅來判斷控制程序的正確性；另外虛實結合實驗平臺使用Flexsim軟件和組態軟件進行二次開發，具有很強的可擴展性，對其他一些難以開展的大型裝備的PLC控制實驗教學具有一定的借鑒意義。

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On Experiment Platform of Port Equipment Control System Based on the Combination of Virtual with Actual Object

CAOXiao-hua1,XIAOYang2,CHENGXiang1

(1. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Science and Technology Unit, Tianjin Port CO., Ltd, Tianjin 437000, China)

The controlling experiments of port equipments could not be carried out properly due to the lack of appropriate equipment, so the concept of combination of virtual and actual object was proposed. Flexsim software was used to build the 3D simulation model of port equipment and was redeveloped to read and write Excel file. WinCC software was used to configure communication with PLC which realized the control and feedback signals transmission between PLC and Flexsim model by reading and writing Excel file. The Experiment platform broke the limit of equipment. It could offer us object models to do the experiments about port equipment and achieves 3D visualization of control process. The experience has a reference value for similar experiments.

experiment platform; Flexsim; combination virtual with actual object; port equipment

2015-09-10

交通部應用基礎項目資助(2015329811290)

曹小華(1973-)，男，湖北鄂州人，博士，教授，系主任，主要研究港口設備控制技術。

Tel.：15972143545；E-mail: tomm_cao@163.com

TP 319

A

1006-7167(2016)02-0074-04