基于PLC 控制系統的虛擬現實技術

羅 磊 ，夏 輝，樊勇利，強文磊，許永雷，劉 靜，唐 飛

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721302；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心721302 陜西寶雞）

0 引言

實施“中國制造2025”，堅持創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展，加快從制造業大國轉向制造強國[1]。對制造業而言，就是利用數字化技術革新傳統制造模式，實現虛擬數字樣機與PLC 控制系統的融合。用虛擬樣機技術可以在不用制造實物樣機的基礎下，最大限度模擬和替代實物樣機，并減小實物樣機實驗周期與成本[2]。

將常用的工業PLC 控制技術、OPC 通信技術和虛擬現實技術相結合設計一套虛擬樣機控制系統[3]。該系統利用虛擬樣機的設計方法，快速的進行各類實驗模擬以替代傳統的物理樣機試驗，可大大的降低設計成本、縮短設計周期，并且可以提供設備操作培訓。

1 控制系統原理

在工業生產中，利用虛擬現實技術進行交互式計算機控制的前提是建立起工業虛擬三維模型，通過虛擬現實平臺和OPC技術實現與外部系統的數據交換，然后進行人機交互控制程序設計。因此，開發了一套基于虛擬數字樣機的PLC 控制系統（圖1），實現虛擬制造與虛擬控制的結合，讓設備的調試人員和工程人員在真實感受到設備的真實性能[4]。

利用虛擬樣機軟件精確的建立三維模型，特別是關鍵部位、關鍵數據要在模型中準確地反應出來，以便最大限度模擬產品在實際工作狀況下的各種性能。虛擬樣機能夠完成相應的動作，直觀演示其工作的三維運動狀態?？刂葡到y能夠完成自動檢測的功能，實現數據的實時采集，在采集數據的基礎上利用其相應的控制模塊能夠實現自動控制的功能。

2 虛擬現實技術

虛擬現實技術以其強大的人機交互能力、逼真的渲染場景及沉浸式的體驗方式而受到人們的歡迎，現已廣泛應用在軍事、船舶工業、飛機制造和建筑業等多個領域。將虛擬現實技術應用于設備培訓，不僅可以節約大量的人力物力，還可以大幅度提升培訓效果，增強培訓人員的安全意識。

虛擬現實是建立在虛擬樣機的基礎上，虛擬樣機建立過程又分為建立三維模型、處理三維實物模型及編制三維虛擬仿真程序（圖2）。

圖1 控制系統結構

圖2 虛擬樣機建立原理

建立三維模型：使用三維軟件UG 將二維CAD 轉換為立體模型。

處理三維實物模型：首先導出UG 編制平臺下設計的三維實物精確模型；然后導入至3DS MAX 三維制作平臺，并在3DS MAX 三維制作平臺中進行模型優化及渲染，把三維實物精確復雜模型轉換為三維簡化模型，最后導出三維簡化模型。

編制三維虛擬仿真程序：首先將上述的三維簡化模型導入虛擬現實處理平臺中；然后通過編寫程序，賦予三維模型具有設備虛擬樣機的功能，即三維模型真實模擬機械設備的物理運動情況，且可以輸出虛擬的傳感器數據；如圖3 所示，使用Virtools軟件作為編制三維仿真程序的平臺。

3 PLC 控制系統

系統硬件系統選用西門子面板式工控機、S7-300 PLC 及I/O 模塊、物理開關按鈕組成，軟件下位機采用STEP7 編程，上位機選用Wincc 顯示操作狀態。

圖3 虛擬樣機工作原理

圖4 PLC 虛擬樣機工作原理

PLC 控制程序，即實驗對象機械設備的PLC 控制程序，在PLC 控制系統的PLC 控制機器上運行；PLC 控制系統包括用于運行PLC 控制程序的PLC 控制器、相應的按鈕、開關、操作手柄燈構成的操作輸入設備、以及上位監控設備（圖4）。PLC 控制程序首先讀取檢測信號、操作指令燈輸入，然后根據控制需求進行邏輯控制、運動控制運算，最后進行控制輸出，包括開關量及模擬量；程序中樣機的執行器輸入、輸出點全部通過OPC 服務器與虛擬仿真樣機連接，即原來物理I/O 點用程序中的DB 塊地址取代，將DB 塊中的內容通過OPC 傳到虛擬樣機中，虛擬機在將這些地址分配至相應傳感器及執行器中。

設備虛擬樣機程序：設備虛擬樣機用于三維模擬機械設備的物理運動情況，以PLC 的控制輸出作為驅動設備虛擬樣機動作的輸入，同時把設備的虛擬傳感器數據返回給PLC 控制程序。

設備虛擬樣機程序依據PLC 控制程序的控制輸出進行相應的仿真動作，程序測試人員通過觀察、監測設備虛擬樣機的運動情況，判斷PLC 控制程序的邏輯控制、運動控制等控制輸出是否滿足控制要求，若不合理則進行PLC 控制程序修改及優化，直至滿足控制要求。

4 人機交互控制

用戶與虛擬場景之間的互動，還需要進行人機交互設計，利用目前工業通信領域廣泛應用的OPC 技術，實現對模型的調用、顯示和控制。OPC 技術包括OPC Server（服務器）與OPC Client（客戶端），OPC 服務器提供數據源，OPC 客戶端使用處理服務器提供的數據[5]。

OPC 服務器程序：使用PLC 控制器廠商提供的OPC 服務器程序，再通過對應的通訊配置，能夠完成PLC 控制程序與OPC 客戶端程序之間的數據通訊；OPC 服務器程序讀取PLC 控制程序的控制輸出[6]。

OPC 客戶端程序：基于OPC 基金會或者PLC 控制器廠商提供的OPC 客戶端編制框架編制的通訊接口程序，完成OPC服務器程序與設備虛擬樣機程序之間的數據通訊?？蛻舳顺绦蜃x取服務器程序上PLC 控制程序的控制輸出，并傳給設備虛擬樣機程序。

OPC 客戶端程序讀取虛擬傳感器數據，并傳輸至OPC 服務器程序，OPC 服務器程序把虛擬傳感器數據輸出至PLC 控制程序，作為PLC 控制程序的檢測信號輸入（圖5）。

圖5 OPC 通信原理

5 結束語

給出一種新的設計和實驗方法。其特點有：

（1）系統通過OPC 技術實現多軟件、多系統、多領域的計算機聯合仿真。

（2）在不用制造物理樣機的基礎下，最大限度的模擬和替代實物樣機，并減小物理樣機實驗周期與成本。

（3）系統解決現有技術中采用直接在實際產品上進行控制功能測試，存在測試風險、邏輯測試及程序修改，系統極大地縮短產品編制周期的問題。

（4）可以利用虛擬現實系統進行模擬培訓，既能使員工切身體會到真實的工業環境，又能減少培訓費用。

將常用的工業PLC 控制技術、OPC 通信技術和虛擬現實技術相結合設計出一種基于虛擬數字樣機的PLC 控制系統。