CN109102732B - 一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于训练模拟器领域，并公开了一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统。该控制系统包括输入模块、传输转换模块和仿真操作模块，输入模块用于发布仿真任务，设定各项仿真任务中的相应参数并将分配至传输模块的不同内存地址中，数据存储模块用于存储控制系统中的所有缓存数据；传输转换模块用于连接输入模块和仿真操作模块使得二者之间实现数据的交互，仿真操作模块包括多个并联的多个模拟操作台，每个模拟操作台根据指令进行仿真模拟操作，并将模拟操作过程中的缓存数据通过传输转换模块传递给数据存储模块。通过本发明，模拟各种生产工况和突发状况，达到操作人员对整个生产流程的熟悉，对操作设备的熟练使用以及合理处理各种突发状况。
Description
技术领域
本发明属于训练模拟器领域，更具体地，涉及一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统。
背景技术
随着智能制造在我国的快速推进，数字化智能工厂正在逐渐淘汰原有的劳动密集型产业，基于工业机器人、自动化生产线等新兴技术的产业格局正在形成，工厂中不再是任何劳动都要由工人完成，而更多的是由机器人和自动化生产线替代完成，工厂也不再需要过多的一线工人，而是需要有一定技术能力的新型技术操作员，只要在操作台前通过数字化操作系统对工厂里的各个工位进行控制以及监测各项运行数据即可，大大节省了人力成本以及生产时间。但随之而来的问题也越来越突出，由于产业升级，原有的简单的师傅带徒弟的培训模式已经跟不上技术的脚步，机器不像人一样可以非常灵活的进行决策，其对操作员的操作能力具有较高的要求，一旦有较大的操作失误可能就会造成严重的后果，而工厂的生产线并不能为操作员提供足够的培训时长，也达不到想要的培训效果，因此一种能够模拟真实生产的训练仿真设备对于现代化工厂的员工培训正变得越来越重要。
训练仿真模拟器是利用仿真技术对操作人员进行培训的自动化设备，包含了自动控制、仪器仪表、数字计算机、环境仿真等现代技术，围绕“人——机——环境”构成一个仿真系统，替代真实的机器设备完成对操作人员的培训。现有的训练模拟仿真器主要应用在军事和文娱领域，例如飞机、潜艇的操作模拟器和汽车驾驶、互动游戏的模拟器等，但能够适用于现代化智能工厂特点的训练仿真设备很难见到，且各类型工厂的工业生产特点有所区别，控制系统不能固定单一，因此设计一种模块化的数字化工厂工业过程训练仿真控制系统对智能制造产业的推进具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统，通过建立输入模块、传输转换模块和仿真操作模块等多个模块，并通过建立各个模块之间数据相互交互转换，模拟实际的操作台系统中的数据交互过程，通过在仿真操作模块进行末端的仿真模拟操作以此模拟实际操作，从而对末端的操作人员进行训练，以此达到操作人员对整个生产流程的熟悉、对操作设备的熟练使用以及能够合理处理各种突发状况的效果。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统，其特征在于，该控制系统包括输入模块、传输转换模块和仿真操作模块，其中，
输入模块包括人机交互界面和数据存储模块，人机交互界面用于发布仿真任务，设定各项仿真任务中的相应参数并将各项仿真任务分配至传输模块的不同内存地址中，数据存储模块用于存储控制系统中的所有缓存数据；
传输转换模块用于连接输入模块和仿真操作模块，使得二者之间实现数据的交互，该传输转换模块包括PLC模块、Modbus-RTU网关和以太网交换机，PLC模块与输入模块连接，其中设置有不同的内存地址，用于接受各项仿真任务，并根据该仿真任务以及其相应的内存地址生成Modbus-RTU指令或以太网指令，Modbus-RTU网关和以太网交换机均和仿真操作模块连接，分别用于将生成关于数字开关量信号的Modbus-RTU和关于模拟量信号的以太网指令传输给仿真操作模块；
仿真操作模块包括多个并联的多个模拟操作台，每个模拟操作台均收到Modbus-RTU和以太网指令，并根据接受到的指令判断是否进行仿真模拟，进行仿真模拟的模拟操作台根据指令进行相应的仿真模拟操作，并将模拟操作过程中的缓存数据通过传输转换模块传递给数据存储模块。
进一步优选地，模拟操作台包括主控制器和末端执行器和末端执行器，主控制器用于接受指令并对该指令进行检索使其与相应仿真模拟操作命令进行匹配，然后将该仿真模拟操作命令传递给末端执行器，末端执行器接受匹配获得的仿真模拟操作命令进行相应的仿真模拟操作。
进一步优选地，主控制器包括MCU-1控制单元、光耦隔离输入输出单元和通信单元，MCU-1控制单元用于接受指令并对该指令进行检索使其与相应仿真模拟操作命令进行匹配，光耦隔离输入输出单元用于在MCU-1控制单元和末端执行器之间进行输入输出的光电隔离，以保持MCU电平的稳定，通信单元用于实现主控制器和末端执行器之间数据的交互，一方面将仿真模拟操作命令传递给末端执行器，另一方面将末端执行器的仿真模拟操作传输给主控制器。
进一步优选地，末端执行器的种类包括矩阵式按键及LED操作面板、分离式输入输出、数码管显示面板和触摸显示屏。
进一步优选地，Modbus-RTU网关和以太网交互机分别通过RS485和Ethernet通信接口与仿真操作模块之间进行数据交互。
进一步优选地，输入模块与传输转换模块之间通过以太网进行数据交互。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过将企业中的实际操作系统模块化，从而建立仿真模拟器控制系统，其中根据企业的控制操作台的设备特点进行模块化组装，快速地形成整体的训练模拟器，从而帮助企业依据真实的生产数据利用仿真技术对操作人员进行培训，并可以模拟各种生产工况和突发状况，以此达到操作人员对整个生产流程的熟悉、对操作设备的熟练使用以及能够合理处理各种突发状况的效果；
2、本发明中的仿真模拟模块中并联的多个操作台，可根据实际需求增加或减少模拟操作台的数量，从而安装不同的主控制器和操作面板，使得整个控制系统兼容性强，可拓展性强；
3、本发明中使用时培训讲师通过教控台进行任务发布、参数设置、人员安排、操作数据保存与评价，受训人员通过操作台完成培训任务、进行仿真模拟操作、熟悉设备的使用方法和步骤、学会处理各种突发状况，从而使员工在培训阶段就能以最大真实度地掌握实际设备的使用方法，为现代化工厂的培训提供了有效的技术支撑，为实际操作保障了效率与安全。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的模块化的工业过程训练模拟器控制系统的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的仿真模拟操作台的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的模块化的工业过程训练模拟器控制系统的结构示意图，如图1所示，一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统包括输入模块、传输转换模块和仿真操作模块，本实施例中输入模块相当于模拟器教控台，传输转换模块包括中间透明传输PLC、Modbus-RTU网关和以太网交换机，仿真操作模块包括多个并联的模拟操作台。模拟器教控台、中间透明传输PLC、模拟器操作台之间主要借助于Modbus-RTU网关和以太网交换机二者的数据转发并通过RS485总线和以太网Ethernet进行双向数据交换，RS485总线主要用来按位传输数字开关量信号，以太网Ethernet主要用来传输大量的模拟量信号。
进一步地，仿真模拟教控台包括仿真计算人机操作界面和利用SQLServer开发的建立在服务器上的数据库存储模块。仿真计算机人机界面由数字计算机主机、显示屏、鼠标、键盘等硬件组成并运行友好的人机界面，仿真计算机人机界面与数据存储模块以及PLC之间通过以太网Ethernet进行数据交换，主要负责完成培训讲师的功能性和业务性操作、数据的收发和存储、所有数据的实时仿真模拟等功能，提供了RJ45接口用于以太网Ethernet通信以及USB接口用于方便相关文件的导入导出。
人机界面通过以太网将数据存放到PLC的不同内存地址中，PLC会按照内存地址的不同生成分别生成Modbus-RTU指令或以太网指令通过Modbus-RTU网关或以太网交换机进行数据下发。
进一步地，传输转换模块主要由支持Modbus-RTU协议和TCP/IP协议的PLC以及以太网交换机、Modbus-RTU并行通信网关所组成，连接教控台的人机界面与操作台的控制终端，传输转换模块包括中间透明传输PLC、Modbus-RTU网关和以太网交换机。
PLC主要是通过以太网Ethernet与仿真计算机人机界面进行数据交换、通过以太网转RS485(Ethernet——RS485)与Modbus-RTU网关进行数据交换、通过以太网Ethernet与以太网交换机进行数据交换。Modbus-RTU网关将来自PLC的数据分组通过RS485总线采用Modbus-RTU协议并行发送到若干个模拟器操作台的各个Modbus-RTU从站，即主控制器A、主控制器C，同时也将轮询各个Modbus-RTU从站的数据反馈给PLC。以太网交换机将来自PLC的数据通过以太网Ethernet采用TCP/IP协议发送到若干个模拟器操作台的主控制器D，同时也将来自若干个主控制器D的数据反馈给PLC。Modbus-RTU网关、PLC、以太网交换机三者配合共同完成中间透明传输的功能，对双向的数据均不作任何处理，仅作转发功能使用。
进一步地，仿真模拟模块主要由包含485总线模块和以太网Ethernet模块接口的多类型以Cortex-M3为核心的主控制器部分、矩阵式操作面板、分离式操作面板、数码管显示仪、触摸显示屏所组成。
图2是按照本发明的优选实施例所构建的仿真模拟操作台的结构示意图，如图2所示，每个模拟器操作台对应一个Modbus-RTU地址码和以太网IP地址，可以根据功能需要进行控制器的选配组装，但总体来讲基本包括：主控制器A、主控制器C、主控制器D、矩阵式按键及LED操作面板、分离式输入输出操作面板、数码管显示面板、触摸显示屏。实际工业操纵设备上若有不在该范围内的功能器件均可以使用不同规格的显示屏进行模拟。主控制器A/C/D均配有8P拨码开关，可以根据实际需要对Modbus-RTU协议的从站地址以及TCP/IP协议的最低位IP地址进行设置。
一个模拟操作台包括主控制器A和矩阵式按键及LED操作面板，主控制器A主要由基于Cortex-M3内核的MCU-1控制单元、光耦隔离输入输出OCEP单元、RS485通信单元以及电源单元、RS485接口等组成。MCU-1控制单元根据功能所需此处优先选用LQFP144、内置512KFLASH和64K SRAM的ARM芯片，主频可高达72MHz，性能稳定，功能强大，主要负责完成检索和控制矩阵式按键及LED操作面板和分离式输入输出操作面板的按键输入和LED的亮灭；矩阵式按键及LED操作面板主要用在薄膜开关等按键较为集中的操作面板处，由MCU-1控制单元用行列式扫描的方式进行检索和控制。
光耦输入输出OCEP单元主要负责在MCU-1单元与外部的按钮和LED之间进行输入输出的光电隔离，以保持MCU电平的稳定。
RS485通信单元主要负责Modbus-RTU网关与模拟器操作台进行数字开关量的数据双向交换，读取按钮按下的动作和控制LED亮灭的状态。
一个模拟操作台包括主控制器A和分离式输入输出操作面板，主控制器A与上述模拟操作台的相同，分离式输入输出操作面板主要用在按钮和指示灯较为分散的操作面板处，由MCU-1控制单元通过光耦输入输出OCEP单元直接进行一对一的检索和控制。MCU-1控制单元通过RS485通信单元经由RS485总线响应Modbus-RTU网关的读取和写入命令。
一个模拟操作台包括主控制器C和数码管显示面板，主控制器C主要由基于Cortex-M3内核的MCU-1控制单元、I2C总线驱动数码管单元、RS485通信单元以及电源单元、RS485接口等组成。MCU-1控制单元的选用要求和RS485通信单元的功能均与主控制器A相同，主要负责完成数码管显示面板的数字显示。其中I2C总线驱动数码管单元根据功能所需优先选用ZLG72128专用的数码管驱动芯片，功能稳定，控制简单，主要负责驱动数码管显示面板的显示。
一个模拟操作台包括主控制器D和触摸显示屏，主控制器D主要由基于Cortex-M3内核的MCU-2控制单元、以太网通信单元Ethernet、RS232通信单元以及电源单元、RJ45接口、RS232通信接口等组成。MCU-2控制单元根据功能所需此处优先选用LQFP48、内置64KFLASH和20K SRAM的ARM芯片，主频可高达72MHz，主要负责通过RS232模块经由RS232通信线检索和控制触摸显示屏的触摸输入和相应控件的显示。其中以太网通信单元Ethernet主要负责实现主控制器D与教控台之间的以太网通信，根据功能所需优先选用W5500为核心的集成了全硬件TCP/IP协议栈的以太网模块，支持TCP、UDP、IPV4等协议，支持10/100MBPS传输速率，以太网通信单元Ethernet与MCU-2控制单元之间采用SPI总线通信，速率可达8MHz。MCU-2控制单元通过以太网通信单元Ethernet经由以太网Ethernet采用TCP/IP协议进行数据交换，RS232通信单元主要负责MCU-2与触摸显示屏之间的通信，将模拟操作器教控台发下来的数据显示在屏幕上和将检索到的触摸屏按下的动作反馈给模拟操作教控台。
模拟器教控台、PLC、Modbus-RTU网关、以太网交换机以及模拟器操作台的各个功能模块供电电源相互独立，通过在电源上采取隔离供电的方式来降低各个部分和模块之间的相互干扰，提高控制系统的运行可靠性。
下面将介绍一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统的控制方法：
第一步，培训讲师通过模拟器教控台的仿真计算机人机界面进行任务发布、参数设置等工作，仿真计算机人机界面通过PLC、Modbus-RTU网关、以太网交换机这些中间透明传输层经由RS485总线和以太网(Ethernet)与模拟器操作台建立联系，开始进行双向数据交换，将设定好的任务和参数发送到模拟器操作台的各个模块；
第二步，受训人员在若干个模拟器操作台处开始进行仿真操作，根据矩阵式按键及LED操作面板、分离式输入输出操作面板、数码管显示面板、触摸显示屏的各项状态和数据显示，进行判断采取何种操作，并在相应的操作面板和触摸屏上进行仿真操作；
第三步，仿真计算机人机界面根据经由RS485总线和以太网Ethernet传递上来的模拟器操作台地输入信号，进行计算机算法仿真模拟，并得出结果再用相同的路径下发到模拟器操作台的各个功能模块，再重复第二步，如此反复循环，直到训练结束；
第四步，仿真训练结束后，培训讲师根据人机界面记录反馈的各受训人员的操作情况进行评价，并按受训人员信息、日期等分类保存到数据存储模块，以便后期提取进行比对总结。
综上，本发明一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统通过模拟器教控台、传输转换模块、若干模拟器操作台及其所包含的各个功能模块，能够快速的建立符合工业过程特点的训练模拟设备，模块化的设计可以根据功能所需进行组装设计，并能够有效地依据工业过程积累下的真实数据进行仿真模拟、培训相关操作人员，对于工业生产的效率和安全性提供了有效的保障。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统，其特征在于，该控制系统包括输入模块、传输转换模块和仿真操作模块，其中，
输入模块包括人机交互界面和数据存储模块，人机交互界面用于发布仿真任务，设定各项仿真任务中的相应参数并将各项仿真任务分配至传输模块的不同内存地址中，数据存储模块用于存储控制系统中的所有缓存数据；
传输转换模块用于连接输入模块和仿真操作模块，使得二者之间实现数据的交互，该传输转换模块包括PLC模块、Modbus-RTU网关和以太网交换机，PLC模块与输入模块连接，其中设置有不同的内存地址，用于接受各项仿真任务，并根据该仿真任务以及其相应的内存地址生成Modbus-RTU指令或以太网指令，Modbus-RTU网关和以太网交换机均和仿真操作模块连接，分别用于将生成关于数字开关量信号的Modbus-RTU和关于模拟量信号的以太网指令传输给仿真操作模块；
仿真操作模块包括多个并联的多个模拟操作台，每个模拟操作台均收到Modbus-RTU和以太网指令，并根据接受到的指令判断是否进行仿真模拟，进行仿真模拟的模拟操作台根据指令进行相应的仿真模拟操作，并将模拟操作过程中的缓存数据通过传输转换模块传递给数据存储模块；
模拟操作台包括主控制器和末端执行器，主控制器用于接受指令并对该指令进行检索使其与相应仿真模拟操作命令进行匹配，然后将该仿真模拟操作命令传递给末端执行器，末端执行器接受匹配获得的仿真模拟操作命令进行相应的仿真模拟操作；
主控制器包括MCU-1控制单元、光耦隔离输入输出单元和通信单元，MCU-1控制单元用于接受指令并对该指令进行检索使其与相应仿真模拟操作命令进行匹配，光耦隔离输入输出单元用于在MCU-1控制单元和末端执行器之间进行输入输出的光电隔离，以保持MCU电平的稳定，通信单元用于实现主控制器和末端执行器之间数据的交互，一方面将仿真模拟操作命令传递给末端执行器，另一方面将末端执行器的仿真模拟操作传输给主控制器。
2.如权利要求1所述的一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统，其特征在于，末端执行器的种类包括矩阵式按键及LED操作面板、分离式输入输出、数码管显示面板和触摸显示屏。
3.如权利要1或2所述的一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统，其特征在于，Modbus-RTU网关和以太网交互机分别通过RS485和Ethernet通信接口与仿真操作模块之间进行数据交互。
4.如权利要1或2所述的一种模块化的工业过程训练模拟器控制系统，其特征在于，输入模块与传输转换模块之间通过以太网进行数据交互。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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