物料分揀虛擬仿真實驗系統設計

許麗川, 劉佳峰

(電子科技大學 機械電子工程學院, 四川 成都 611731)

物料分揀虛擬仿真實驗系統設計

許麗川, 劉佳峰

(電子科技大學 機械電子工程學院, 四川 成都 611731)

為解決實驗實訓課程中缺乏大型工業設備的問題,基于Virtual Universe Pro(VUP)設計了一種虛擬仿真物料分揀實驗系統。該實驗系統的物料分揀平臺三維仿真模型能夠模擬實際物料分揀的動作；能將虛擬物料分揀平臺與控制器S7-300連接,在STEP7編程環境中進行物料分揀實驗程序的設計、調試和運行。系統測試表明,該實驗系統可以完成鋁質物料、鐵質物料、白色塑料以及紅色塑料等4種物料分揀的基本功能。

物料分揀系統； 虛擬仿真實驗； VUP； 可編程邏輯控制器

1 概述

目前,虛擬仿真技術在很多領域都有廣泛的應用。除物理仿真之外,仿真技術大多是在PC機上實現的。數字仿真對實際系統進行抽象并用數學關系加以描述，以得到系統的數學模型,然后在計算機上對數學模型編寫可執行程序進行仿真實驗。半實物仿真,即硬件在回路仿真(hardware-in-the-loop),是指將一部分實物對象用數學模型替代,而其他部分直接用物理模型或者實物接入仿真系統[1]。虛擬仿真技術(virtual reality,VR)是目前仿真技術的一個重要方向。虛擬仿真技術是利用計算機技術、網絡通信技術、人工智能技術、自動化控制技術、儀器儀表與測量技術等交叉產生的一種現代信息技術,是用一個虛擬的系統模仿真實系統的技術[2]。各類仿真技術各有優勢和長處,應用在各種不同的研究環境中[3-8],也逐漸在高校實驗實踐教學和創新創業訓練中得到認可和推廣[9-14]。

仿真技術在高校PLC實驗室建設中逐漸得到了應用。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[ 9]。使用虛擬對象代替實際工業設備,解決了大型工控設備價格昂貴、硬件維護復雜、有“安全性”隱患等問題,推進了實驗教學信息化建設和實驗教學資源的開放共享,也助推了實驗實訓慕課的建設。

筆者基于Virtual Universe Pro(VUP)設計了一種虛擬的物料分揀平臺,并與S7-300 PLC連接,編程實現PLC對虛擬物料分揀平臺的控制,實現基本的物料分揀功能。

2 虛擬物料分揀實驗系統的功能設計和總體結構

2.1 虛擬物料分揀實驗系統的功能設計

虛擬物料分揀實驗系統簡化了系統功能,其總體結構和功能包括:

(1) 虛擬物料分揀平臺由滾輪式傳送帶、傳感器、物料收集系統等構成,其主要功能是通過3級傳送帶實現鋁質物料、鐵質物料、白色塑料和紅色塑料等4類物料的分揀；

(2) 實驗系統設置虛擬HMI,包括啟動/停止按鈕,并且在每一次物料分揀結束后按下暫停鍵停止系統運行,按下恢復鍵后系統可繼續運行；

(3) 在虛擬物料分揀實驗系統中,當開始分揀一個物料時,其他物料在上料傳送帶上等待,當上一個物料分揀結束后，上料傳送帶才繼續運轉；

(4) 實驗系統設置狀態指示燈,當物料在上料過程中和系統在暫停的狀態下指示燈為黃色；當物料在正常分揀過程中指示燈為綠色。

系統中的虛擬物料分揀平臺功能示意圖如圖1所示,圖中空心粗箭頭表示物料分揀的流向。

圖1 物料分揀平臺功能示意圖

第一次分揀可將物料分為金屬物料和塑料2類。當檢測結果為金屬物料時,PLC控制第二級傳送帶向傳送方向左側傳送；當檢測結果為塑料時,PLC控制傳送帶向傳送方向右側傳送。第二次分揀將金屬分為鐵和鋁,將塑料分為紅色和白色。二次分揀是通過PLC控制第三級傳送帶的傳送方向來實現的。

分揀系統在單次分揀后可以暫停,也可以繼續工作。系統在遇到突發狀況時暫停工作,以保護系統和人身安全。當對某物料進行分揀時,其余待分揀的物料要等待,以防止在分揀過程中物料與物料的碰撞,造成分揀失敗。

2.2 虛擬物料分揀實驗系統的總體結構

實驗系統的總體結構如圖2所示。系統主要包括S7-300可編程邏輯控制器(PLC)和PC機兩部分,通過基于PROFINET的工業以太網經交換機X005進行通信。

S7-300是模塊化的中小型PLC,適用于中等性能的控制要求,虛擬物料分揀實驗系統的S7-300控制器選用CPU 315F-2 PN/DP。PC機實現了PLC編程器和虛擬物料分揀平臺的雙重功能。編程環境為STEP7,虛擬物料分揀平臺是通過Virtural Universe Pro 3D仿真軟件來構建的。3D仿真模型通過連接的三維仿真器與外部控制器(或嵌入式虛擬控制器)通信,Virtural Universe Pro(VUP)就能夠在完全虛擬的環境下再現設備或機器在真實世界中的工作情況。

虛擬物料分揀平臺主要包括傳送帶運輸模塊、分揀模塊、循環模塊、虛擬人機界面模塊和狀態指示燈等5個模塊。

圖2 虛擬物料分揀實驗系統結構圖

3 虛擬物料分揀平臺仿真模型設計

3.1 構造實驗系統仿真模型的主要步驟

認識虛擬物料分揀平臺的構造是學生實驗實踐的內容之一,它要求學生了解工業控制平臺的實際結構(執行器件、傳感器)及其控制原理。因此,虛擬物料分揀平臺的搭建力求步驟簡單、操作簡便、物理概念明了。在VUP中搭建仿真模型的步驟如下:

(1) 調用VUP庫中的模型,例如傳感器、滾輪式傳送帶、指示燈、箱體等,將其拼裝成所需要的物料分揀平臺的模型；

(2) 為傳送帶、箱體、機架等3D元件添加輔助動作和對應的運動區域,使其自身具有動態屬性；

(3) 為元件添加動作,使3D資源能夠模擬實際資源的行為,例如執行機構和傳感器；

(4) 為實驗系統中與外部連接的3D元件的動作添加變量；

(5) 當VUP內的虛擬系統能夠連接外部控制器S7-300時,進行聯合仿真。

3.2 虛擬物料分揀平臺的設計及控制原理

根據前述系統功能設計及圖1,設計出分揀平臺的完整3D模型，如圖3所示。

圖3 虛擬物料分揀平臺

3.2.1 傳送帶運輸模塊

傳送帶運輸模塊包括每一級滾輪式傳送帶和旁邊的支架結構,主要完成物料的運輸。5個傳送帶模塊都使用相同的3D元件,但分別由不同的PLC變量控制,在系統運行中是相互獨立的。

滾輪傳送帶的動作類型選擇“力與轉矩”,運動路徑選擇“X方向/旋轉型/一對相互作用力”。這樣,滾輪式傳送帶的動力就來源于給滾輪施加的一個轉矩,然后聯動其他滾輪一起轉動,實現傳送帶的前進、后退和停止運動。

將傳送帶的動作與S7變量進行連接,就可以實現用PLC變量控制傳送帶的前進、后退和停止。如圖4所示,傳送帶前進和后退由Q0.0控制,傳動帶停止由Q1.5控制。

圖4 傳動帶動作與S7變量的連接

3.2.2 分揀模塊

分揀動作的檢測裝置是傳感器。分揀模塊包括不同類型的傳感器,主要完成物料類別的辨識并反饋信號。共有3個分揀處,每處設置2個傳感器。

關于傳感器元件的動作類型，應選擇測試類型中的“檢測與其他對象的碰撞”。VUP仿真軟件中的傳感器的辨別依據是傳送過來的物體的名稱。因此,實際檢測物料的依據是判別是否與物料碰撞并且是否是對應的物料。

4類虛擬物料的名稱分別定義為:box11,box12,box21,box22。第一分揀處的兩個傳感器設置“其他元件名稱”參數分別為box1和box2,可將4類虛擬物料先進行金屬物料和塑料的分揀；第二分揀處兩個傳感器設置“其他元件名稱”參數分別為box21和box22,可以模擬鐵質和鋁制物料的分揀；第三分揀處兩個傳感器設置“其他元件名稱”參數分別為box11和box12,可以模擬紅色和白色塑料物料的分揀。

最后,通過與S7變量的連接實現PLC對傳感器信號的接收。

3.2.3 循環模塊

循環模塊主要實現兩個功能：

一是檢測物料是否分揀完畢,以確定是否進行下一個物料的分揀,通過PLC程序實現；

二是持續地將物料送上傳送帶,使物料分揀持續運行。

在物料傳送的起始位置和4個物料傳送終端分別放置一個黑色箱體(departure),然后調用4個傳感器置于4個物料傳送帶的終端。4個傳感器的動作設置與分揀傳感器相同,在此不再贅述。

物料終端的4個黑色箱體的動作類型設置為“檢測與其他3D元件碰撞”,當檢測到碰撞且物料名稱相符時,其“內部當前值”參數置位為1。同時,在物料中定義return from departure動作,該動作的連接選項“從此動作獲取參數”設置為黑色箱體的動作名稱。這樣,當黑色箱體接收到分揀完畢的物料后,該物料的return from departure動作也為1,這個物體會回到原來的位置,重新進入分揀流程,實現物料的收集及循環。

3.2.4 虛擬人機界面模塊

人機界面模塊包括Power、Stop、Pause、Restart 4個按鈕,功能是實現對虛擬物料分揀平臺的控制。將它們的動作與外部控制器中的S7變量相連,則按鈕的動作就轉變為將S7變量值的變化送入控制器,控制PLC程序的執行。

3.2.5 系統狀態指示燈模塊

本系統的狀態指示燈模塊由黃色指示燈和綠色指示燈組成,用于提示虛擬物料分揀平臺的運行狀態。在運輸物料過程中和暫停時黃色指示燈亮；正常分揀過程時綠色指示燈亮。

4 基于虛擬對象的物料分揀實驗系統軟件設計

4.1 S7變量分配表

將虛擬物料分揀平臺中各個元件的動作與PLC的S7變量相連,得到變量分配表(見表1)。

表1 PLC變量表

4.2 PLC程序設計

PLC程序主要由7個模塊組成,分別是傳送帶輸送模塊、第一處分揀模塊、第二處分揀模塊、第三處分揀模塊、循環模塊、人機界面模塊和指示燈模塊。PLC程序流程圖如圖5所示。

圖5 PLC程序流程圖

5 實驗系統測試

S7-300與虛擬物料分揀平臺進行通信連接,然后下載物料分揀實驗程序,再將S7-300控制器置于“Run”狀態,打開程序監控模式,進行系統的測試。

(1) 上料傳送帶測試。點擊虛擬人機界面上的“Start”按鈕后,系統正常啟動,上料階段的傳送帶載著物料前進,同時狀態指示燈顯示黃色。測試結果如圖6(a)所示,表明能夠正常上料,進入分揀準備階段。

(2) 分揀測試。物料隨傳送帶前行,當第一個物料經過上料傳送帶1進入上料傳送帶2后,上料送帶1停止,其他后續物料等待,上料傳送帶2繼續載著第一個物料前行,此時,狀態指示燈顯示綠色,如圖6(b)所示。當物料經過一次分揀傳感器時進行第一次分揀,分揀完畢后物料會進入第二級傳送帶準備第二次分揀,如圖6(c)所示。物料經過二次分揀傳感器時進行第二次分揀,分揀完畢后物料進入第三級傳送帶,直到進入黑色箱體,如圖6(d)所示。

圖6 虛擬物料分揀平臺測試

6 結語

基于虛擬對象的物料分揀實驗系統實現了4類物料的分揀,并通過VUP仿真軟件完整地展現平臺的運行過程。虛擬平臺具有通用性,當系統中的傳感器換成其他類型時,可以實現對其他物料的分揀。使用虛擬對象代替實際工業設備,降低了學生操作的危險性,減少了設備的故障率,降低了教學工作強度,間接擴大了實驗實踐教學的受益面。同時,虛擬設備的運行容易制作視頻,為實驗實踐教學慕課建設提供了便利條件。

然而,虛擬物料分揀畢竟不同于實際的生產,使用虛擬對象進行實驗實踐課程訓練既不是最終的目標,也不是獨有的方法。在虛擬平臺上完成訓練后,將經驗應用到實際生產設備中再進行實踐,利用實際設備操作實踐再回頭完善虛擬平臺,二者相輔相成、相互完善,才能達到較好的教學目的。

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Design of material sorting virtual experimental system

Xu Lichuan, Liu Jiafeng

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu611731,China)

In order to solve the main problem of the lack of the actual large-scale industrial equipment in the experimental training course in colleges and universities, a kind of virtual experimental system for material sorting based on Virtual Universe Pro (VUP) is designed in this paper. In the system, the action of actual material sorting can be simulated by the three-dimensional simulation model of material sorting platform. And the experimental program for material sorting is designed and debugged in STEP7 after the connection of the virtual material sorting platform and the S7-300 controller. The final test shows that the basic functions of the virtual experimental system for material sorting are completed, that four kinds of materials including aluminum materials, iron materials, white plastic and red plastic can be correctly sorted.

material sorting system; virtual simulation experiment; VUP；PLC

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.028

2016-08-23

電子科技大學2015—2017年高等教育人才培養質量和教學改革項目(2015XJYYB049)

許麗川(1976—),女,四川富順,碩士,工程師,主要從事可編程序控制器及電機控制方面的實驗教學和研究工作.

E-mail：xulichuan@uestc.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2017)2-0105-05