CN111681487A - 一种模拟分类存储的仿真教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟分类存储的仿真教学系统。该系统包括分类存储仿真模块和可编程控制模块；可编程控制模块是可编程控制器和装有PLC编程软件的计算机，主要用于给分类存储仿真模块端传输PLC控制信号；分类存储仿真模块通过通讯线和可编程控制模块中的PLC相连；所述分类存储仿真模块是开发好的软件客户端，主要模拟分类存储流水线，提供给用户对工件进行操作控制的实验环境；通过本发明，可以帮助学生理解过程控制自动化专业知识和PLC的工作原理和应用方法，不用投入真实的操作练习器材（自动化生产线），利用虚拟仿真的方式即达到教学的目的。
Description
技术领域
本发明公开了一种模拟分类存储的仿真教学系统，涉及虚拟仿真教学技术领域。
背景技术
自动化生产线的加工实训主要由工件传动系统和控制系统组成；它按照一定的工艺顺序，通过自动变速器和其它辅助装置将各种自动机械连接起来，并通过气动、电动机、传感器等电气设备通过电气控制系统的作用实现电路逻辑控制，使整个系统能够满足连续稳定的工艺要求生产满足特定产品的技术要求。对于自动控制技术，机械与电气一体化技术，数字控制技术等专业相关课程来说，进行生产线教学实训是必不可少的环节。
传统的教育实训都是真正的器材实验，学习者在真正的实验环境下操作实验设备完成实验目的；用实际实验器材进行实验教育的教学模式，常常受到一些资源，环境和人身安全的限制，为此，需要新的工具或手段来满足实验教育日益激增的需求。虚拟仿真实验是在虚拟现实技术的基础上产生并发展起来的，其主要组成部分均为计算机虚拟构成的实验资源，包括实验室环境，实验室仪器，实验设备等。在虚拟仿真实验中，学生可以仅仅通过键盘和鼠标，数据手套等设备与仿真实验系统中的虚拟设备进行数据交换，从而进行各种各样的实验操作。学生可以在比较充分的条件下设计和验证自己的实验要求，积极主动地进行创造性动手学习。
发明内容
为了解决现有实验教学中存在的缺点,本发明的目的在于提供一种模拟分类存储的仿真教学系统。利用本发明的系统，可以模拟在真实条件下的一条分类存储生产线，通过真实的可编程控制器来控制虚拟场景中的生产线，达到人机交互；其能用于帮助学生理解过程控制自动化专业知识和PLC(Programmable Logical Controller以下简称PLC)的工作原理和应用方法，不用投入真实的操作练习器材(自动化生产线)，利用虚拟仿真的方式即达到教学的目的。
本发明的目的是这样来实现的。
本发明提供一种模拟分类存储的仿真教学系统。其包括分类存储仿真模块和可编程控制模块，分类存储仿真模块通过通线和可编程控制模块相连；其中：
可编程控制模块，主要包括PLC和装有PLC编程软件的计算机，用于提供用户编程环境；
分类存储仿真模块，为开发好的模拟分类存储流水线的软件客户端，用于用户对工件进行分类存储仿真操作；分类存储流水线的实验单元选自供料单元、压力检测单元、提取单元、分拣单元和分储单元中的一种或几种的组合；
工作时，可编程控制模块将真实PLC控制信号传输到分类存储仿真模块，分类存储仿真模块的反馈信号反馈到可编程控制模块中的PLC。
上述分类存储仿真模块的开发方法如下：使用3Dmax建立模拟分类存储流水线的模型和动画，导入到Unity引擎搭建整个软件人机交互界面、对模型动画处理以及完成通讯型号进行处理。
优选的，建立模拟分类存储流水线的模型时，将所有的模型进行优化，包括使用平滑组替代通过增加面数来增加平滑度，优化内存空间，使用Photoshop图片剪辑软件处理贴图，用凹凸、法线、透明贴图来替代一些细微效果，降低模型制作难度和模型的内存占用。
优选的，在模块完成开发后，将四叉树算法运用到资源调度上，为了将场景中在摄像机视角内的物体调用到内存，不在视角内进行销毁。
上述的分类存储仿真模块的软件端中主要包括、用户验证界面、PLC类型选择界面、实验单元选择界面以及模型控制界面。其中用户验证界面包括本机运行许可，通过对机器码的加密码来对软件加密；PLC类型选择界面其主要用来是匹配选择用户所选用的PLC类型，实验单元选择界面可选择预览所有实验单元的协同工作状态；也可选择进入单个实验单元；模型控制界面主要包括自动模式、手动模式、动画预览和复位按钮以及信号输入输出状态指示灯。
上述的分类存储仿真模块包含手动控制(模拟PLC信号控制)和自动控制(真实PLC信号控制)；可通过手动模式来对各个实验单元进行学习，通过自动模式来调试用户编写的PLC程序。
上述的可编程控制模块需要将装有编程软件的计算机配置好其组态并与PLC连接，PLC类型可以是西门子、三菱或台达各种类型。
上述分类存储仿真模块中进行了模型面数优化以及动态资源调度，使得整个平台能够适应各种实验室中配置不高的计算机。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明所述的一种模拟分类存储的仿真教学系统中适配的PLC的类型可以是西门子、三菱或台达各种类型；
本发明所述的一种模拟分类存储的仿真教学系统中包含手动控制(模拟PLC信号控制)和自动控制(真实PLC信号控制)；可通过手动模式来对各个实验单元进行学习，通过自动模式来调试用户编写的PLC程序。
本发明所述的一种模拟分类存储的仿真教学系统中分类存储模块使用Unity引擎开发，且没有使用任何通讯转换网关完成了Unity与PLC的通信协议转换，对比于使用通讯转换网关，使得通讯时丢包延迟等问题得到了很好的解决。
本发明所述的一种模拟分类存储的仿真教学系统中信号可以是从PLC传输到分类存储仿真模块，也可以是从分类存储仿真模块反馈到PLC，即系统为双向传输。
本发明所述的一种模拟分类存储的仿真教学系统中进行了模型面数优化以及动态资源调度，使得整个平台能够适应各种实验室中配置不高的计算机。
附图说明
图1为用户验证界面。
图2为PLC类型选择界面。
图3为实验单元选择界面。
图4为模型控制界面(模型部分以提取单元为例)。
图5为供料单元的图示。
图6为压力检测单元的图示。
图7为提取单元的图示。
图8为分拣单元的图示。
图9为分储单元的图示。
图10为系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图10为本发明提出的一种虚拟仿真教学系统的系统结构框图。如图10所示，其包括可编程控制模块(包括PLC和对PLC编程的上位机)，其中PLC可以是西门子S7-300或者其他型号PLC；可编程控制模块通过通讯线与分类存储仿真模块相连。其中可编程控制模块主要提供用户一个PLC编程环境以及在安装中和PLC通讯功能的调试；而分类存储仿真模块需要安装在一台计算机(下位机)上，提供用户一个虚拟的实验设备，其主要模拟分类存储流水线上对工件的一些操作控制。系统的整体功能由上位机中编写程序通过PLC来控制下位机中的虚拟实验设备，通过手动模式来对各个实验单元进行学习，通过自动模式来调试用户编写的PLC程序。
可编程控制模块中的计算机(上位机)，需要在计算机上安装与PLC类型对应的编程软件，在系统的完整运行中，上位机首先需要和PLC连接并配置两者通讯；在使用时，用户使用上位机的编程软件中来编写对应模块的PLC程序。当PLC为西门子或三菱时，编程软件是博途(西门子PLC)、GX Develop(三菱PLC)等。
分类存储仿真模块是开发好的软件客户端；涵盖计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术。具体来说，分类存储仿真模块的软件端中主要包括用户验证界面、PLC类型选择界面、实验单元选择界面以及模型控制界面。其中用户验证界面包括本机运行许可证，通过对机器码的加密码来对软件加密；PLC类型选择界面其主要用来是匹配选择用户所选用的PLC类型，实验单元选择界面可选择预览所有实验单元的协同工作状态；也可选择进入单个实验单元；模型控制界面主要包括自动模式、手动模式、动画预览和复位按钮以及信号输入输出状态指示灯。
用户验证界面如图1所示，包括验证本机运行许可证，通过对机器码的加密码来对软件加密，一方面保证软件安全，另一方面还能保证用户的个人信息安全。
PLC类型选择界面如图2所示，其主要是匹配选择用户所选用的PLC类型，选择正确的PLC类型是用户在实验过程中正确实验的保证。在实施例中PLC类型主要为三菱和西门子。
实验单元选择界面如图3所示，其主要是提供用户确定自己要进行哪一部分的实验，实施例中主要为供料单元、压力检测单元、提取单元、分拣单元和分储单元中的一种或几种的组合。
模型控制界面如图4所示，各个实验单元(除主模型外)可以是一致的，在模型控制界面中可以包含以下几个功能：自动模式、手动模式、动画预览、复位按钮；而在在模型控制界面的两边分别有对应模型的输入输出状态指示灯，其中PLC输出端(对应的是软件的输入端)的信号状态在交互界面的左边，而PLC的输入端(对应的是软件的输出端)的信号状态在交互界面的右边。
自动模式在不连接PLC时，由于没有信号的传入，设备模型将不会有动作；在连接PLC后，点击自动模式，设备模型应该按照PLC中指定的程序进行相应的动作；所述的手动模式可以不连接PLC使用，在某些实施例中，使用手动模式可以模拟PLC输出点信号，进行模型测试以及对模型中传感器I点的查找，加深对虚拟实验器材的了解。
可编程控制模块主要用于给分类存储仿真模块端PLC控制信号，实验者可以在在可编程控制模块编写程序，观察虚拟分类存储仿真模块端的控制方式，来验证自己的程序可行性和正确性。
本发明中，分类存储仿真模块是使用3Dmax建模软件建立模型，其中模型主要包括供料单元、压力检测单元、提取单元、分拣单元和分储单元；建立模型时，将所有的模型进行优化，主要包括使用平滑组替代通过增加面数来增加平滑度，优化内存空间，使用Photoshop图片剪辑软件处理贴图，用凹凸、法线、透明贴图来替代一些细微效果，降低模型制作难度和模型的内存占用；Unity3D引擎和面向对象的开发工具C#完成软件的一些功能，如加密、通讯以及信号处理等。
供料单元如图5所示，所需要实现的功能主要包括三个工艺流程：1、通过送料气缸将工件送至料仓指定位置；2、摆动气缸摆动到料仓位置并吸取工件；3、摆动气缸将吸取的工件送至下一站压力检测单元。在整个工序流程中主要有几个工步：1、送料气缸送料；2、送料气缸复位；3、摆动气缸摆到仓料位置；4、气阀吸气将工件吸紧在摆动气缸上；5、摆动气缸带工件到下一站压力检测单元；6、气阀停止吸气松开工件。
如图5所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表1中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表1中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表1中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表1所示：
表1：供料模块I/O说明
| PLC输出点Q | Q＝1对应动作 | PLC输入点I | 对应状态I＝1 |
| Q0.0 | 送料气缸送料 | I0.1 | 退回到位 |
| Q0.1 | 吸气阀吸气 | I0.2 | 推出到位 |
| Q0.2 | 放气阀吹气 | I0.3 | 气阀吸紧 |
| Q0.3 | 摆动气缸左行 | I0.4 | 摆动到左 |
| Q0.4 | 摆动气缸右行 | I0.5 | 摆动到右 |
压力检测单元如图6所示，所需要实现的功能主要包括五个工艺流程；1、夹紧气缸夹紧到达工位的工件(左边)；2、转动臂带动工件转动到压力检测缸下方(中间位置)；3、压力检测缸下降到位，检测压力，检测结束，检测缸上升；4、转动臂继续转动至与下一工位交接处(右边位置)；5、夹紧气缸伸出并松开工件，送至下一站，转动臂返回初始位置。
如图6所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表1中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表1中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表1中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表2所示：
表2：压力检测单元I/O说明
| PLC输出点Q | Q＝1对应动作 | PLC输入点I | 对应状态I＝1 |
| Q0.0 | 转动臂转动至中间位置 | I0.0 | 工位工件到达 |
| Q0.1 | 转动臂转动至最右边 | I0.1 | 转动臂到达最左边 |
| Q0.2 | 夹紧气缸伸出 | I0.2 | 转动臂到达中间 |
| Q0.3 | 夹紧工件 | I0.3 | 转动臂到达最右边 |
| Q0.4 | 压力检测气缸上升 | I0.4 | 转动臂缩回 |
| Q0.5 | 压力检测气缸下降 | I0.5 | 工件合格 |
| Q0.6 | I0.6 | 槽深检测中 |
提取单元如图7所示，所需要实现的功能主要包括一下几个工艺流程：1.工件到位，检测工件的颜色和材质；2.无杆气缸左移至取料位置并向下移动到工件位置；3.闭合抓手，抓取工件；4.气抓手抓取工件向上移动到位；5.若流程1中工件为黑色，无杆气缸向右移动到最右边位，若流程1中工件不是黑色，无杆气缸向右移动到中间料仓位置；6.气抓手向下移动到位，松开工件放至下一单元；7.气抓手回复到初始位置。
如图7所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表3中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表3中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表3中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表3所示：
表3：提取单元I/O说明
分拣单元如图8所示，所需要实现的功能主要包括一下几个工艺流程：1、工件到位，皮带带动工件转动；2、工件移动至检测传感器处，检测工件质量，如果是不合格的分拣手伸出，工件被打到滑槽，如果是合格的则工件继续移动至下一单元。
如图8所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表4中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表4中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表4中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表4所示：
表4：分拣单元I/O说明
| PLC输出点Q | Q＝1对应动作 | PLC输入点I | 对应状态I＝1 |
| Q0.0 | 皮带启动 | I0.0 | 皮带上有工件 |
| Q0.1 | 分拣手伸出 | I0.1 | 工件符合标准 |
分储单元如图9所示，所需要实现的功能主要包括一下几个工艺流程：1、工件到位，皮带工件转动，挡板伸出；2、传感器检测工件材质和颜色；3、伸缩气缸沿X轴右移至工件上方，接着沿Z轴向下移动到位；4、抓手闭合抓取工件；5、如果工件是黑色的，伸缩气缸沿Z轴上移并右移至1料台1料槽位置，抓手伸出；如果工件是红色的，伸缩气缸沿Z轴上移并右移至2料台1料槽位置，抓手伸出；如果工件是金属色的，伸缩气缸沿Z轴上移并右移至3料台1料槽位置，抓手伸出；6、抓手打开松开工件，转手缩回并原路返回；7、重复上述步骤分别抓取工件放置不用料槽位置。
如图9所示，在PLC传到模块中Q点的信号为1时，其对应在模块界面中输入指示灯(Q)变为绿色，并进行表5中对应各个Q点的动作；当模块中的检测点检测到动作到达表5中的状态时，对应输出指示灯(I点)变为绿色，其中每个状态与表5中状态一一对应。在某些实施例中，其IO点对应说明如表5所示：
表5：分储单元I/O说明
在各个模块完成开发后，将四叉树算法运用到资源调度上，主要为将场景中在摄像机视角内的物体调用到内存，不在视角内进行销毁；能够较大程度降低内存占用，使得整个平台能够适应各种实验室中配置不高的计算机。
本发明没有使用任何通讯转换网关完成了Unity与PLC的通信协议转换，对比于使用通讯转换网关，其区别和优势如表6所示。
表6：性能对比
| 硬件和开发 | 丢包率(最大值) | 平均延迟Ta(mS) | |
| 使用通讯网关转换 | 增加硬件，开发较简单 | 1.2％ | 71.2 |
| 不使用通讯网关 | 无其他硬件，开发稍难 | 0.3％ | 32.6 |
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种模拟分类存储的仿真教学系统，其特征在于，其包括分类存储仿真模块和可编程控制模块，分类存储仿真模块通过通线和可编程控制模块相连；其中：
可编程控制模块，主要包括PLC和装有PLC编程软件的计算机，用于提供用户编程环境；
分类存储仿真模块，为开发好的模拟分类存储流水线的软件客户端，用于用户对工件进行分类存储仿真操作；分类存储流水线的实验单元选自供料单元、压力检测单元、提取单元、分拣单元和分储单元中的一种或几种的组合；
工作时，可编程控制模块将真实PLC控制信号传输到分类存储仿真模块，分类存储仿真模块的反馈信号反馈到可编程控制模块中的PLC。
2.根据权利要求1所述的模拟分类存储仿真教学系统，其特征在于，所述的分类存储仿真模块的开发方法如下：使用3Dmax建立模拟分类存储流水线的模型和动画，导入到Unity引擎搭建整个软件人机交互界面、对模型动画处理以及完成通讯型号进行处理。
3.根据权利要求2所述的模拟分类存储仿真教学系统，其特征在于，建立模拟分类存储流水线的模型时，将所有的模型进行优化，包括使用平滑组替代通过增加面数来增加平滑度，优化内存空间，使用Photoshop图片剪辑软件处理贴图，用凹凸、法线、透明贴图来替代一些细微效果，降低模型制作难度和模型的内存占用。
4.根据权利要求2所述的模拟分类存储仿真教学系统，其特征在于，在模块完成开发后，将四叉树算法运用到资源调度上，为了将场景中在摄像机视角内的物体调用到内存，不在视角内进行销毁。
5.根据权利要求1所述的模拟分类存储仿真教学系统，其特征在于，所述分类存储仿真模块的软件端中包括用户验证界面、PLC类型选择界面、实验单元选择界面以及模型控制界面。
6.根据权利要求5所述的模拟分类存储的仿真教学系统，其特征在于，所述用户验证界面包括本机运行许可，通过对机器码的加密码来对软件加密；PLC类型选择界面其主要用来是匹配选择用户所选用的PLC类型，实验单元选择界面可选择预览所有实验单元的协同工作状态，也可选择进入单个实验单元；模型控制界面主要包括自动模式、手动模式、动画预览和复位按钮以及信号输入输出状态指示灯；用户通过手动模式控制客户端内三维模型的动作方式，使用自动模式测试编写的PLC程序。
7.根据权利要求1所述的模拟分类存储仿真教学系统，其特征在于，所述分类存储仿真模块包含手动控制和自动控制；手动控制用于模拟PLC信号控制，来对各个实验单元进行学习；自动控制用于控制真实PLC信号控制，来调试用户编写的PLC程序。
8.根据权利要求1所述的模拟分类存储的仿真教学系统，其特征在于，所述可编程控制模块中的PLC的类型是西门子、三菱或台达PLC。
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