CN112068457B - 一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真实验系统。包括虚拟仿真模型库构建、三维工业场景构建和虚拟模仿真运行模块；虚拟仿真模型库构建用于管理三维模型，并将模型碰撞与运动方式链接供场景构建和仿真运行使用。三维工业场景构建用于快速构建三维工业场景并进行仿真模拟配置。虚拟仿真运行则通过虚拟仿真场景与硬件设备PLC互连来实现模拟控制。本发明可跨平台提供三维虚拟工业场景下的PLC程序运行检视功能，可有效解决实验场地限制、设备昂贵和实验场景适用性等问题，从而极大地提高工业控制领域人才的培养质量。

Description

一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真实验系统

技术领域

本发明涉及工业自动化虚拟仿真领域，具体涉及一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真实验系统。

背景技术

在工业自动化领域，工业虚拟仿真技术已经成为在实际工业生产中降低自动化运行风险的重要手段。通过对工业场景中运行的各模型进行数据仿真，有助于准确得定位工业自动化过程中的问题场景，从而降低了使用真实设备进行试验的资金成本消耗。通过有效的虚拟仿真校验来验证运行数据的准确性，不仅能够降低仿真实验过程中的试验成本而且能够有效提高工业自动化应用的鲁棒性。

目前传统场景下基于组态软件的仿真技术已比较成熟，可通过软件包内的二维平面设计工具，实现工业流程中的硬件、数据、图形图像等组态仿真工作，其通用、可靠的组态开发方式，完善的数据采集功能，为工业控制人员的使用提供了便利。但基于二维设计的组态模式对仿真过程的表现力不是很强，存在一定局限性。为了解决这个问题，许多基于三维的虚拟仿真系统被设计出来，此类三维虚拟仿真实验平台虽能达到较好的仿真效果，但基于C/S的系统结构，使其在跨平台使用、安装配置及升级维护上较为复杂，在版本的更新维护和迭代过程中，需要重新安装配置，这也使得此类系统在多端的使用性上表现较差。而现有B/S虚拟仿真系统的设计大多为单一案例场景，定制性较强。在PLC工业虚拟仿真实验的多样性方面表现较差，缺乏一定的通用性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真实验系统，结合跨平台三维仿真技术与组态软件的优势，设计了一种兼具三维表现力与通用性的PLC虚拟仿真实验平台。

本发明具体技术方案如下：

一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真实验系统，包括虚拟仿真模型库构建模块、三维工业场景构建模块和虚拟模仿真运行模块；

虚拟仿真模型库构建模块用于管理三维模型，并将模型碰撞与运动方式连接，供三维场景构建模块与虚拟仿真运行模块使用。三维工业场景构建模块用于快速构建三维工业仿真场景并进行基本仿真模拟准备配置。虚拟仿真运行模块通过虚拟仿真场景模块与硬件设备PLC互连来实现模拟控制，并通过虚拟漫游模块进行仿真观测。

所述虚拟仿真模型库构建模块包括三维模型设计模块、模型运动库构建模块、碰撞检测模块和自定模型添加模块；三维模型设计模块用于输出工业场景下的拟真三维模型，并将模型对象抽象出来以便管理；模型运动库构建模块用于构建模型的运动机制库，通过分析模型的运动行为来构建模型运动方程，抽象出运动模式便于模型的挂载；碰撞检测模块用于根据模型在场景中的状态来反馈模型的碰撞状态，以便系统对模型碰撞后的数据反馈进行计算处理；自定义模型添加模块用于将自定义的模型以符合模型库的标准的方式加入到现有模型库中，保证在模型工具库中可以使用用户自定义的拓展模型。

所述三维工业场景构建模块包括基础环境设计模块、模型组装模块和PLC通讯配置模块；基础环境设计模块用于构建拟真的三维工厂仿真实验环境；模型组装模块用于将拟真三维模型或用户自定义的拓展模型按照需要的场景进行组装，根据模型包围盒的自由面来计算贴合坐标，进而实现模型组件间的适应性对齐；PLC通讯配置模块用于配制场景与PLC硬件间的连接参数，以及根据模型运动机制库中的模型运动模式完成场景内模型运动属性与硬件单元的数据映射，保证PLC控制程序数据传输的正确性。

所述虚拟模仿真运行模块包括虚拟漫游模块、模拟交互控制模块和仿真数据检验模块。虚拟漫游模块用于在模拟仿真过程中根据三维工厂仿真实验环境中相机视角的调整状态来调整画面渲染层次，以及根据用户视野的变化进行选择性稀疏渲染；模拟交互控制模块用于支持在仿真模拟的过程中，PLC硬件板的传输指令正确得传输到模型组件，同时模型组件在接收到指令后正确应达并且通过碰撞检测模块反馈碰撞状态；仿真数据校验模块用于检验仿真模拟过程中传输的数据是否符合预设的要求，并将错误的输入重置为默认数据并向用户反馈错误参数。

作为优选，系统端与PLC硬件板间基于UDP的数据传输遵循Modbus RTU协议。

本发明具有以下有益效果：

1、充分利用了三维可视化组态系统的优势，在多端跨平台使用时无需重新配置，解决了PLC开发人才培养过程中的实验设备、场地和试验投入限制问题；

2、以配置的方式来管理模型的运动属性，有效得提高了模型管理效率，增强了模型库的可拓展性与通用性；

附图说明

图1基于WebGL的PLC组态虚拟仿真系统整体架构图

图2基于WebGL的PLC组态虚拟仿真系统的场景渲染流程图

图3基于WebGL的PLC组态虚拟仿真系统的仿真实验流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细的说明

如图1所示，一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真系统包括虚拟仿真模型库构建模块、三维工业场景构建模块和虚拟模仿真运行模块。

虚拟仿真模型库构建模块用于所有模型设计的抽象、模型运动方式的构建、模型的运动检测及自定义模型方法，同时以配置方式来管理场景模型对象，以便场景组装模块与模拟运行模块的使用，虚拟仿真模型库的构建是整个系统运行的基础。其中虚拟仿真模型库构建模块包括：

(1)三维模型设计模块，构建虚拟仿真过程中用到的模型，根据模型复杂程度选择代码绘制方式或建模工具绘制方式；

(2)模型运动库构建模块，通过对虚拟设备的运动行为分析，构建模型的运动方程来实现运动的仿真，并通过模型的运动属性配置文件来封装模型运动接口；

(3)模型碰撞检测模块，对单模型进行空间包围盒包裹，并对模型表示的空间进行层次分割设计，以八叉树表示模型的空间数据结构，进而进行碰撞的检测计算；

(4)自定义模型添加模块，在模型库构建过程中建立通用的模型导入标准，实现自定义模型管理与使用，并根据自定义模型导入标准，完成模型属性配置；

三维工业场景构建模块是虚拟仿真运行的基础。完成一个完整虚拟仿真流程的前提，首先是构建一个三维工业场景。在基本的工厂环境基础上，基于模型点面约束一致性来完成同坐标系下的模型组装，通过Serialport模块完成系统与PLC连接配置与通讯，其中三维工业场景的构建包括如下部分：

(1)基础环境设计模块，在构建真实仿真环境过程中，场景基于对真实工业环境的同规格配置还原。同时通过增添场景基础元素、光源、摄像机、纹理贴图渲染着器等来完成整个场景的构建与渲染，渲染流程如图2所示。

(2)模型组装模块，通过模型间的三维一致性实现模型的方位对齐，定义每个模型的坐标系与仿真环境的世界坐标系保持一致，取得待组装模型包围盒在空间内六自由面所在坐标，根据包围盒边缘范围，进行适应性贴合对齐；

(3)PLC通讯配置模块，通过Serialport模块扫描PLC串口，并配置波特率、数据位、校验位、停止位等参数，建立与PLC硬件板的连接；

虚拟模仿真运行模块基于模型库和三维工业场景的构建完成，在PLC程序的控制下完成仿真模拟运行的整个过程。虚拟模仿真运行模块包括以下部分：

(1)虚拟漫游模块，通过调整第三人称的相机观测视角，完成场景虚拟漫游，使用LOD多细节层次模型约束渲染模式，提高整个漫游过程的渲染性能；

(2)模拟交互控制模块，通过UDP指令帧向PLC程序发送模型的运动状态，同时PLC实验板通过返回应答帧反馈控制参数，从而实现仿真过程的模拟交互控制

(3)仿真数据检验模块，对PLC的输入数据进行基本正则校验和逻辑校验，并将错误的输入数据重置为默认并反馈，以保证输入的数据正常运行；

如图3所示，本发明的基于WebGL的PLC组态虚拟仿真系统的仿真实验包括以下步骤：

步骤1：打开模型库选取场景所需模型组件。

步骤2：构建三维工业场景，根据场景需要，将不同种类的传送带、工作台、生成模块、消除模块拖入场景中，通过拖拽场景中的模型组件来完成仿真场景组装。

步骤3：在仿真场景搭建完成后，打开PLC页面进行PLC连接配置，完成数据绑定。

步骤4：启动模拟，在PLC代码的控制下，整个虚拟场景开始模拟运行。

步骤5：货物运动数据可视化状态显示。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真实验系统，其特征在于：该系统包括：虚拟仿真模型库构建模块、三维工业场景构建模块和虚拟模仿真运行模块；

所述虚拟仿真模型库构建模块用于管理三维模型，并将模型碰撞与运动方式连接，供三维场景构建模块与虚拟仿真运行模块使用；虚拟仿真模型库构建模块包括：三维模型设计模块、模型运动库构建模块、碰撞检测模块和自定义模型添加模块；

所述三维模型设计模块用于输出工业场景下的拟真三维模型，并将模型对象抽象出来以便管理；所述模型运动库构建模块用于构建模型的运动机制库，通过分析模型的运动行为来构建模型运动方程，抽象出运动模式便于模型的挂载；所述碰撞检测模块用于根据模型在场景中的状态来反馈模型的碰撞状态，以便系统对模型碰撞后的数据反馈进行计算处理；所述自定义模型添加模块用于将自定义的模型以符合模型库的标准的方式加入到现有模型库中，以便在模型工具库中使用用户自定义的拓展模型；

所述三维工业场景构建模块用于快速构建三维工业仿真场景和进行基本仿真模拟准备配置，包括基础环境设计模块、模型组装模块和PLC通讯配置模块；

所述基础环境设计模块用于构建拟真的三维工厂仿真实验环境；所述模型组装模块用于将拟真三维模型或用户自定义的拓展模型按照需要的场景进行组装，根据模型包围盒的自由面来计算贴合坐标，进而实现模型组件间的适应性对齐；所述PLC通讯配置模块用于配制场景与PLC硬件间的连接参数，以及根据模型运动机制库中的模型运动模式完成场景内模型运动属性与硬件单元的数据映射，保证PLC控制程序数据传输的正确性；

所述虚拟模仿真运行模块通过虚拟仿真场景模块与硬件设备PLC互连来实现模拟控制，并通过虚拟漫游模块进行仿真观测；虚拟模仿真运行模块包括虚拟漫游模块、模拟交互控制模块和仿真数据检验模块；

所述虚拟漫游模块用于在模拟仿真过程中根据三维工厂仿真实验环境中相机视角的调整状态来调整画面渲染层次，以及根据用户视野的变化进行选择性稀疏渲染；所述模拟交互控制模块用于支持在仿真模拟的过程中，PLC硬件板的传输指令正确得传输到模型组件，同时模型组件在接收到指令后正确应达并且通过碰撞检测模块反馈碰撞状态；所述仿真数据检验模块用于检验仿真模拟过程中传输的数据是否符合预设的要求，并将错误的输入重置为默认数据并向用户反馈错误参数。

2.如权利要求1所述一种基于WebGL的PLC组态虚拟仿真实验系统，其特征在于：系统端与PLC硬件板间基于UDP的数据传输遵循Modbus RTU协议。

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