CN108762188A - 基于plc控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法及系统，其中虚拟仿真实验方法包括步骤：A.建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境：首先对烟花分拣流水线的工作单元建模；然后对烟花分拣流水线工作过程中涉及的各个工序进行动画仿真；B.建立PLC控制系统；C.建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境与PLC控制系统之间的通信；D.调试。本发明既避免了实际烟花分拣流水线高危爆炸的风险，又满足了学生对PLC实际工程训练的需求，并可在烟花分拣流水线改造过程中快速确定烟花分拣流水线的最佳控制策略和方案，同时，不依赖厂家的OPC服务程序，可以选择任意厂家的PLC设备，无需因改变PLC型号或生产厂家而重新设计调试。

Description

基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法及系统

技术领域

本发明属于PLC控制的虚拟仿真实验技术领域，特别涉及一种基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法及系统。

背景技术

烟花分拣流水线的自动分拣功能可有效降低人力成本，提高分拣效率，但是烟花分拣流水线控制对安全性要求极高，如果直接由学生开发，出现危险的可能性很大。

为此，发明人想到利用虚拟仿真技术和PLC（可编程控制器）技术，构建逼真的烟花分拣流水线仿真系统，并与实际PLC有机结合起来，从而能够对设计的PLC烟花分拣流水线控制系统进行测试，验证PLC控制程序的可靠性和稳定性，以避免高危事件发生。

现有技术中已有一些基于PLC控制的虚拟仿真试验系统：例如，“一种用设备虚拟样机辅助测试PLC 控制程序的方法”（ZL201510275411.6），该方法主要利用PLC控制器厂商提供的OPC（OLE for Process Control）服务器程序实现对PLC与虚拟控制对象的通信，从而完成对虚拟样机的控制。又如，“模拟风电机组运行的仿真方法、装置及PLC系统”（ZL201410031047.4），该系统主要仿真的是风力发电系统中机组运行状态，为风力发电的PLC控制系统提供良好的仿真环境，该方法也是利用厂商提供的OPC 服务器程序，实现PLC与虚拟控制对象的通信。再如，“一种基于虚拟现实技术的灌装生产线控制系统及实现方法”（CN201611063467.6），采用了PLC通信协议与远端设备通信，然后再通过RS232/485与虚拟仿真的虚拟生产线设备通讯，实现PLC实体设备对虚拟灌装生产线的控制。

可见，现有技术中的这些方法都依赖于厂家的OPC服务技术支持，当改变PLC型号或生产厂家时，原来的程序可能因为没有对应的OPC技术支持，而需要重新设计并调试，存在较大的不方便。另外，由于该方法是完全基于通讯协议的，学生做实验时，缺乏真实设备的连接和控制体验感。

发明内容

现有技术中，直接由学生开发的烟花分拣流水线控制系统安全性得不到保障。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法及系统，通过“实”际编制的PLC控制程序，控制“虚”拟的烟花分拣流水线，既避免了实际烟花分拣流水线高危爆炸的风险，又满足了学生对PLC实际工程训练的需求，并可在烟花分拣流水线改造过程中快速确定烟花分拣流水线的最佳控制策略和方案，同时，不依赖厂家的OPC服务程序，可以选择任意厂家的PLC设备，无需因改变PLC型号或生产厂家而重新设计调试。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法，其特点是包括以下步骤：

步骤A.建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境：首先对烟花分拣流水线的包括置有烟花产品的流水线、电机、位置检测传感器、机械臂模块在内的工作单元建模；然后对烟花分拣流水线工作过程中涉及的各个工序进行动画仿真，其中工序包括：电机带动流水线运动、位置检测传感器检测烟花产品的位置、机械臂模块抓取进入机械臂工作空间的烟花产品并释放烟花产品至指定位置；

步骤B.建立PLC控制系统：编制PLC控制程序，PLC控制程序控制电机工作参数、接收位置检测传感器的检测信息、根据位置检测传感器的检测信息对机械臂模块工作参数进行控制；

步骤C.建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境与PLC控制系统之间的通信；

步骤D.调试PLC控制程序，直至虚拟烟花分拣流水线按照设定控制策略运行。

进一步地，所述步骤C中，通过PLC接口卡实现烟花分拣流水线虚拟仿真环境与PLC控制系统之间的通信；

还包括步骤C1：对PLC接口卡进行参数类型配置，其中配置的参数包括：由PLC控制系统输出至虚拟仿真环境的电机工作参数、由虚拟仿真环境输出至PLC控制系统的烟花产品位置参数、由PLC控制系统输出至虚拟仿真环境的机械臂模块工作参数。

进一步地，所述步骤A中，工作单元还包括设于烟花产品上的条形码、设于流水线入口处的条形码读写器；所述工序还包括条形码读写器读取条形码上的信息；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收条形码读写器读取的信息。

进一步地，所述步骤A中，工作单元还包括速度传感器；所述工序还包括速度传感器检测流水线的传送速度；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收速度传感器的检测信息、根据速度传感器的检测信息对电机工作参数进行控制。

进一步地，所述步骤A中，工作单元还包括环境监测传感器和空调；所述工序还包括环境监测传感器监测流水线工作车间的环境参数、空调控制工作车间的温度；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收环境监测传感器的监测信息、根据环境监测传感器的监测信息对空调工作参数进行控制。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验系统，其特点是包括：

仿真服务器：用于建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境，其中烟花分拣流水线虚拟仿真环境包括工作单元和工序，工作单元包括烟花产品的流水线、电机、位置检测传感器、机械臂模块，工序包括：电机带动流水线运动、位置检测传感器检测烟花产品的位置、机械臂模块抓取进入机械臂工作空间的烟花产品并释放烟花产品至指定位置；

PLC控制系统：用于编制并调试PLC控制程序，PLC控制程序控制电机工作参数、接收位置检测传感器的检测信息、根据位置检测传感器的检测信息对机械臂模块工作参数进行控制；

通讯模块：用于建立仿真服务器与PLC控制系统之间的通信。

进一步地，所述通讯模块包括PLC接口卡；

还包括参数配置模块：用于对PLC接口卡进行参数类型配置，其中配置的参数包括：由PLC控制系统输出至虚拟仿真环境的电机工作参数、由虚拟仿真环境输出至PLC控制系统的烟花产品位置参数、由PLC控制系统输出至虚拟仿真环境的机械臂模块工作参数。

进一步地，所述工作单元还包括设于烟花产品上的条形码、设于流水线入口处的条形码读写器；所述工序还包括条形码读写器读取条形码上的信息；编制的PLC控制程序还接收条形码读写器读取的信息。

进一步地，所述工作单元还包括速度传感器；所述工序还包括速度传感器检测流水线的传送速度；编制的PLC控制程序还接收速度传感器的检测信息、根据速度传感器的检测信息对电机工作参数进行控制。

进一步地，所述工作单元还包括环境监测传感器和空调；所述工序还包括环境监测传感器监测流水线工作车间的环境参数、空调控制工作车间的温度；编制的PLC控制程序还接收环境监测传感器的监测信息、根据环境监测传感器的监测信息对空调工作参数进行控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，利用虚拟仿真技术和PLC技术，构建逼真的烟花分拣流水线仿真系统，并与实际PLC有机结合起来，通过“实”际编制的PLC控制程序，控制“虚”拟的烟花分拣流水线，从而能够对设计的PLC烟花分拣流水线控制系统进行测试，验证PLC控制程序的可靠性和稳定性，既避免了实际烟花分拣流水线高危爆炸的风险，又满足了学生对PLC实际工程训练的需求，并可在烟花分拣流水线改造过程中快速确定烟花分拣流水线的最佳控制策略和方案。

第二，利用数据转换模块——PLC接口卡实现PLC控制系统与仿真服务器之间的通信，该数据转换模块可以将PLC控制系统的控制信号采集后发送给仿真服务器，同时也可接收仿真服务器的传感器信息作为反馈信号传给PLC控制系统，完全模拟了现实烟花分拣流水线涉及的控制信号和反馈信号，把虚拟烟花分拣流水线的控制接口变成了真实的触点，与PLC控制系统的触点相连接后，直接被实际PLC控制系统控制，不依赖厂家的OPC服务程序，可以选择任意厂家的PLC设备，无需因改变PLC型号或生产厂家而重新设计调试。

附图说明

图1为基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法流程图。

图2为基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验系统结构框图。

其中，1为仿真服务器，2为PLC控制系统，3为PLC接口卡。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法包括以下步骤：

步骤A.建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境：首先采用3D Max对烟花分拣流水线的包括置有烟花产品的流水线、电机、位置检测传感器、机械臂模块在内的工作单元建模；然后采用3D Unity对烟花分拣流水线工作过程中涉及的各个工序进行动画仿真，其中工序包括：电机带动流水线运动、位置检测传感器检测烟花产品的位置、机械臂模块抓取进入机械臂工作空间的烟花产品并释放烟花产品至指定位置；

步骤B.建立PLC控制系统2：编制PLC控制程序，PLC控制程序控制电机工作参数、接收位置检测传感器的检测信息、根据位置检测传感器的检测信息对机械臂模块工作参数进行控制；

步骤C.建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境与PLC控制系统2之间的通信；

步骤D.调试PLC控制程序，直至虚拟烟花分拣流水线按照设定控制策略运行。

所述步骤C中，通过PLC接口卡3实现烟花分拣流水线虚拟仿真环境与PLC控制系统2之间的通信；

还包括步骤C1：对PLC接口卡3进行参数类型配置，其中配置的参数包括：由PLC控制系统2输出至虚拟仿真环境的电机工作参数、由虚拟仿真环境输出至PLC控制系统2的烟花产品位置参数、由PLC控制系统2输出至虚拟仿真环境的机械臂模块工作参数。

所述步骤A中，工作单元还包括设于烟花产品上的条形码、设于流水线入口处的条形码读写器；所述工序还包括条形码读写器读取条形码上的信息；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收条形码读写器读取的信息。

所述步骤A中，工作单元还包括速度传感器；所述工序还包括速度传感器检测流水线的传送速度；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收速度传感器的检测信息、根据速度传感器的检测信息对电机工作参数进行控制。

所述步骤A中，工作单元还包括环境监测传感器和空调；所述工序还包括环境监测传感器监测流水线工作车间的环境参数、空调控制工作车间的温度；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收环境监测传感器的监测信息、根据环境监测传感器的监测信息对空调工作参数进行控制。

如图2所示，基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验系统包括：仿真服务器1、PLC控制系统2和PLC接口卡3，其中：

仿真服务器1：用于建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境，其中烟花分拣流水线虚拟仿真环境包括工作单元和工序，工作单元包括烟花产品的流水线、电机、位置检测传感器、机械臂模块，工序包括：电机带动流水线运动、位置检测传感器检测烟花产品的位置、机械臂模块抓取进入机械臂工作空间的烟花产品并释放烟花产品至指定位置；

PLC控制系统2：用于编制并调试PLC控制程序，PLC控制程序控制电机工作参数、接收位置检测传感器的检测信息、根据位置检测传感器的检测信息对机械臂模块工作参数进行控制；

PLC接口卡3：用于建立仿真服务器1与PLC控制系统2之间的通信。

还包括参数配置模块：用于对PLC接口卡3进行参数类型配置，其中配置的参数包括：由PLC控制系统2输出至虚拟仿真环境的电机工作参数、由虚拟仿真环境输出至PLC控制系统2的烟花产品位置参数、由PLC控制系统2输出至虚拟仿真环境的机械臂模块工作参数。

PLC控制系统2上的触点与PLC接口卡3上的触点相连接，PLC接口卡3通过MODBUS总线与仿真服务器1连接。采用3DMAX和Unity3D设计的烟花分拣流水线虚拟仿真程序在仿真服务器1运行。当PLC控制程序下载到实际PLC控制系统2后，PLC控制系统2的控制量以及相应的传感器数据将通过PLC接口卡3与仿真服务器1上的虚拟仿真烟花分拣流水线通讯，实现“虚实结合”。

所述工作单元还包括设于烟花产品上的条形码、设于流水线入口处的条形码读写器；所述工序还包括条形码读写器读取条形码上的信息；编制的PLC控制程序还接收条形码读写器读取的信息。

所述工作单元还包括速度传感器；所述工序还包括速度传感器检测流水线的传送速度；编制的PLC控制程序还接收速度传感器的检测信息、根据速度传感器的检测信息对电机工作参数进行控制。

所述工作单元还包括环境监测传感器和空调；所述工序还包括环境监测传感器监测流水线工作车间的环境参数、空调控制工作车间的温度；编制的PLC控制程序还接收环境监测传感器的监测信息、根据环境监测传感器的监测信息对空调工作参数进行控制。

本发明中，整个虚拟仿真实验系统包括硬件的物理架构和软件的逻辑架构。

硬件物理架构包括三个部分：

（1）PLC控制系统2：与通常的PLC控制系统2一致，包括用于运行PLC控制程序的PLC控制器、相应的紧急按钮等操作输入设备、以及上位机监控设备。

（2）仿真服务器1：包括计算机主机、高性能显卡、显示器、键盘、鼠标、通讯总线和相应的通讯协议程序，以及由3D Max和3D Unity开发的虚拟仿真程序。

（3）PLC接口卡3：用于PLC控制系统2与仿真服务器1之间的数据转换，其转换过程采用实际触点连接方式。PLC接口卡3的触点类型包括数字输出、数字输入、模拟输出与模拟输入，分别对应到PLC控制系统2的数字输入、数字输出、模糊输入和模拟输出。另外，PLC接口卡3的通讯接口主要完成实际触点不方便实现的功能，例如，虚拟流水线中条形码信息的数据读取。

软件的逻辑架构包括四部分：

（1）利用3D Max和3D Unity设计烟花分拣流水线虚拟仿真环境，整个烟花分拣流水线虚拟仿真环境包括虚拟烟花条形码识别、流水线电机控制、物品位置检测、机械臂抓取控制、车间环境监测与控制5个子任务。

1）虚拟条形码识别

在虚拟流水线上的，每一个烟花产品上会包含有一个虚拟条形码，该条形码存储有该烟花的种类、型号、商标以及生产日期等信息。在虚拟流水线入口处，装有一台虚拟条形码读写器，它能自动识别出以上信息，并通过PLC接口卡3上的通讯接口与实际PLC控制系统2通信，将烟花的信息传送给PLC控制系统2。

2）流水线电机控制

每一条虚拟流水线都有对应的虚拟电机，该电机的速度、方向控制通过PLC接口卡3上的IO与实际PLC控制系统2的IO控制口相连接，由实际PLC控制程序控制。虚拟流水线设有速度传感器，PLC控制系统2可以通过PLC接口卡3读取相应的速度值，并可以设计PI、PID等控制算法，实现精准控制。

3）物品位置检测

虚拟流水线上装有物品位置检测传感器，当烟花通过流水线，进入机械臂工作空间时，位置检测传感器将位置信息通过PLC接口卡3上的通信接口传给PLC控制系统2。

4）机械臂抓取控制

虚拟工业机器人机械臂是虚拟流水线分拣的执行机构，其控制信号通过PLC接口卡3上的通信接口与实际PLC控制系统2相连，PLC控制系统2通过发送相关指令实现对机械臂的末端位置移动、抓取与释放控制等。PLC控制系统2根据机械臂的参数设计并规划机械臂运动轨迹，亦可以调用系统提供的子函数实现机械臂轨迹规划。

5）环境监测与控制

为保障烟花的安全，防止危险情况发生，虚拟车间中安装有虚拟环境监测传感器和虚拟空调，环境监测传感器包括温度、湿度、粉尘传感器等。当虚拟流水线所在环境温度升高时，可以由PLC控制系统2控制虚拟空调以调整环境温度，保证合适环境的温度。如果环境中的粉尘浓度升高到某一阈值，需要采取紧急处理措施，防止烟花爆炸。

（2）PLC接口卡3的参数配置。PLC接口卡3包括触点接口和MODBUS总线。其中触点与PLC控制系统2上的触点相连接，而MODBUS总线与仿真服务器1连接。其配置的参数包括各触点编号对应的实际类型，例如速度反馈配置为模拟输出，供PLC控制系统2读取数据；虚拟流水线电机的模拟控制量配置成模拟输入，其速度受PLC控制系统2的模拟输出量控制。MODBUS总线主要是为了方便对条形码数据的读取。

（3）PLC编程与调试。通过PLC编程建立控制系统，实现对条形码数据的读取、物品位置的检测、机械臂的控制、流水线速度控制、环境监测与控制等，通过调试与测验，保证虚拟烟花流水线按照最佳控制策略使准确有序地运行。

（4）对所编制的PLC控制程序进行调试与测验，保证虚拟烟花流水线按照最佳控制策略使准确有序地运行。具体实验调试过程步骤如下：

1）虚拟流水线上电机连线，以及速度传感器数据读取，检测流水线的速率；

2）虚拟流水线上的条形码读写器连线，并测试条形码数据读取；

3）虚拟流水线上机械臂连线，编程测试机械臂的动作是否正常；

4）虚拟流水线上位置检测传感器的数据读取与测试；

5）分拣条形码数据导入及配置；

6）梯形图编程，实现对烟花产品的条形码读取并通过配置确定该物品的流水线路径；

7）根据路径确定机械臂的工作策略；

8）通过位置检测传感器检测烟花是否到达机械臂工作空间，若已到达，PLC控制系统2给机械臂发生操作指令；

9）整个工作过程中，检测工作环境，包括温度、湿度等，并控制车间空调以调整环境参数；

10）调试整个系统；

11）启动流水线开关，测试系统是否正常工作。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A.建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境：首先对烟花分拣流水线的包括置有烟花产品的流水线、电机、位置检测传感器、机械臂模块在内的工作单元建模；然后对烟花分拣流水线工作过程中涉及的各个工序进行动画仿真，其中工序包括：电机带动流水线运动、位置检测传感器检测烟花产品的位置、机械臂模块抓取进入机械臂工作空间的烟花产品并释放烟花产品至指定位置；

步骤B.建立PLC控制系统（2）：编制PLC控制程序，PLC控制程序控制电机工作参数、接收位置检测传感器的检测信息、根据位置检测传感器的检测信息对机械臂模块工作参数进行控制；

步骤C.建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境与PLC控制系统（2）之间的通信；

步骤D.调试PLC控制程序，直至虚拟烟花分拣流水线按照设定控制策略运行。

2.如权利要求1所述的基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法，其特征在于，

所述步骤C中，通过PLC接口卡（3）实现烟花分拣流水线虚拟仿真环境与PLC控制系统（2）之间的通信；

还包括步骤C1：对PLC接口卡（3）进行参数类型配置，其中配置的参数包括：由PLC控制系统（2）输出至虚拟仿真环境的电机工作参数、由虚拟仿真环境输出至PLC控制系统（2）的烟花产品位置参数、由PLC控制系统（2）输出至虚拟仿真环境的机械臂模块工作参数。

3.如权利要求1或2所述的基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法，其特征在于，

所述步骤A中，工作单元还包括设于烟花产品上的条形码、设于流水线入口处的条形码读写器；所述工序还包括条形码读写器读取条形码上的信息；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收条形码读写器读取的信息。

4.如权利要求1或2所述的基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法，其特征在于，

所述步骤A中，工作单元还包括速度传感器；所述工序还包括速度传感器检测流水线的传送速度；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收速度传感器的检测信息、根据速度传感器的检测信息对电机工作参数进行控制。

5.如权利要求1或2所述的基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验方法，其特征在于，

所述步骤A中，工作单元还包括环境监测传感器和空调；所述工序还包括环境监测传感器监测流水线工作车间的环境参数、空调控制工作车间的温度；

所述步骤B中，编制的PLC控制程序还接收环境监测传感器的监测信息、根据环境监测传感器的监测信息对空调工作参数进行控制。

6.一种基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验系统，其特征在于，包括：

仿真服务器（1）：用于建立烟花分拣流水线虚拟仿真环境，其中烟花分拣流水线虚拟仿真环境包括工作单元和工序，工作单元包括烟花产品的流水线、电机、位置检测传感器、机械臂模块，工序包括：电机带动流水线运动、位置检测传感器检测烟花产品的位置、机械臂模块抓取进入机械臂工作空间的烟花产品并释放烟花产品至指定位置；

PLC控制系统（2）：用于编制并调试PLC控制程序，PLC控制程序控制电机工作参数、接收位置检测传感器的检测信息、根据位置检测传感器的检测信息对机械臂模块工作参数进行控制；

通讯模块：用于建立仿真服务器（1）与PLC控制系统（2）之间的通信。

7.如权利要求6所述的基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验系统，其特征在于，

所述通讯模块包括PLC接口卡（3）；

还包括参数配置模块：用于对PLC接口卡（3）进行参数类型配置，其中配置的参数包括：由PLC控制系统（2）输出至虚拟仿真环境的电机工作参数、由虚拟仿真环境输出至PLC控制系统（2）的烟花产品位置参数、由PLC控制系统（2）输出至虚拟仿真环境的机械臂模块工作参数。

8.如权利要求6或7所述的基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验系统，其特征在于，

所述工作单元还包括设于烟花产品上的条形码、设于流水线入口处的条形码读写器；所述工序还包括条形码读写器读取条形码上的信息；编制的PLC控制程序还接收条形码读写器读取的信息。

9.如权利要求6或7所述的基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验系统，其特征在于，

所述工作单元还包括速度传感器；所述工序还包括速度传感器检测流水线的传送速度；编制的PLC控制程序还接收速度传感器的检测信息、根据速度传感器的检测信息对电机工作参数进行控制。

10.如权利要求6或7所述的基于PLC控制的烟花分拣流水线虚拟仿真实验系统，其特征在于，

所述工作单元还包括环境监测传感器和空调；所述工序还包括环境监测传感器监测流水线工作车间的环境参数、空调控制工作车间的温度；编制的PLC控制程序还接收环境监测传感器的监测信息、根据环境监测传感器的监测信息对空调工作参数进行控制。