電控系統(tǒng)虛擬仿真平臺的實(shí)現(xiàn)方法

文/李學(xué)勇 鐘 亮

一、引言

為適應(yīng)市場變化，提升卷煙物流的“核心支撐能力”，自2009年起，湖南煙草開始了全省的物流中心設(shè)備技改和技術(shù)引進(jìn)，截至2019年6月，全省煙草商業(yè)企業(yè)物流中心作業(yè)形式完成了從人工向自動化的過渡。設(shè)備自動化的核心是PLC電控系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)施后，其生命周期即進(jìn)入了運(yùn)維和更新階段。因此，全新的中大型電控系統(tǒng)的投入運(yùn)行，一方面帶來了卷煙倉儲和分揀作業(yè)的極大便利，一方面也給系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)和程序更新工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。

為解決電控系統(tǒng)應(yīng)用后的運(yùn)維技術(shù)培訓(xùn)、系統(tǒng)更新以及新系統(tǒng)開發(fā)模擬驗(yàn)證等需求，以衡陽煙草物流中心現(xiàn)場自動化設(shè)備為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有的全景、三維、實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，探討研究一種用于技術(shù)培訓(xùn)和系統(tǒng)驗(yàn)證的獨(dú)立仿真平臺。

本文研究得到了湖南省煙草公司科技項(xiàng)目：煙草商業(yè)物流設(shè)備備品備件管理模式研究及應(yīng)用（18-20Bb10）及衡陽市煙草公司科技項(xiàng)目：基于VR技術(shù)的衡陽煙草卷煙物流設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)模式研究的資助。

圖1 衡陽煙草物流中心設(shè)備工藝布局三維展示

圖1是物流中心設(shè)備工藝三維展示：

聯(lián)合工房共分入庫、出庫、備貨、補(bǔ)貨及分揀等5大區(qū)域，包含497臺/套自動化設(shè)備，PLC控制總站5個(gè)，子站47個(gè)。

二、常見的電控系統(tǒng)培訓(xùn)方式

1.現(xiàn)場培訓(xùn)

由于電控系統(tǒng)屬于理論與實(shí)踐結(jié)合極其緊密的實(shí)戰(zhàn)型系統(tǒng)，對于人員的技能培訓(xùn)和素質(zhì)提升，最好能夠在作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行。

從圖3可見，如果采用現(xiàn)場教學(xué)，可以保證培訓(xùn)效果，但最大的缺點(diǎn)是培訓(xùn)基于現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備，系統(tǒng)進(jìn)行代碼運(yùn)行、測試以及受訓(xùn)人員的各種誤操作都是直接驅(qū)動實(shí)際設(shè)備，有可能對既有的設(shè)備和系統(tǒng)造成不可預(yù)計(jì)的損壞，因此，導(dǎo)致現(xiàn)場培訓(xùn)難以展開，目前，也沒有單位敢于在自家運(yùn)行良好的設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)級別的教學(xué)和實(shí)踐。

2.現(xiàn)場還原形式

現(xiàn)場測試的風(fēng)險(xiǎn)無法避免，某卷煙企業(yè)投入大量資金建立了小型的試驗(yàn)現(xiàn)場，還原車間設(shè)備作業(yè)流程，用于運(yùn)維技能的培訓(xùn)及程序調(diào)試，但該種方式需要資金數(shù)百萬元，對于單個(gè)商業(yè)企業(yè)物流中心來說，其推廣意義不大。

3.獨(dú)立試驗(yàn)平臺

針對效果良好的現(xiàn)場教學(xué)以及關(guān)鍵設(shè)備復(fù)原方式無法推行的現(xiàn)狀，行業(yè)目前有開設(shè)電控系統(tǒng)培訓(xùn)，采用替換模擬形式的方式和工具介質(zhì)，即代碼運(yùn)行和系統(tǒng)運(yùn)行的正確與否，不需要受訓(xùn)人員所看到的系統(tǒng)所驅(qū)動的設(shè)備狀態(tài)來驗(yàn)證，而是用聲、光以及簡單的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來模擬。某卷煙工業(yè)公司獨(dú)立試驗(yàn)室，如圖4。

從上述內(nèi)容可以看出，行業(yè)目前主流的培訓(xùn)方式較為傳統(tǒng)且單一，對于沒有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的受訓(xùn)人員來說，是無法靠“想象”將聲、光的信息與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行場景聯(lián)系起來的。因此，文章所研究的電控系統(tǒng)虛擬仿真平臺就必須滿足以下三個(gè)要求：

選擇合適虛擬仿真平臺，創(chuàng)建單機(jī)、組合設(shè)備的三維虛擬模型，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備場景還原；

根據(jù)不同物流中心實(shí)際，創(chuàng)建靈活的電控系統(tǒng)硬件平臺框架；

完成硬件平臺程序輸出，驅(qū)動仿真平臺虛擬模型，創(chuàng)建可視化的運(yùn)維技能提升及程序調(diào)試驗(yàn)證環(huán)境。

圖2 投入運(yùn)行后的聯(lián)合工房設(shè)備

圖3 依托現(xiàn)場設(shè)備教學(xué)

圖4 某卷煙工業(yè)公司獨(dú)立試驗(yàn)室

圖5 某卷煙工業(yè)公司運(yùn)維技能培訓(xùn)平臺

通過以上借鑒點(diǎn)參考，按照“虛擬仿真”的思路， 平臺研發(fā)設(shè)計(jì)要以現(xiàn)場設(shè)備以及電控系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，將電控系統(tǒng)硬件平臺與三維虛擬環(huán)境有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可視化的虛擬仿真培訓(xùn)以及程序在線調(diào)試檢測平臺。虛擬仿真平臺假想圖，如圖6。

圖6 虛擬仿真平臺假想圖

圖7 虛擬仿真平臺研究方案

圖8 DEMO 3D 操作界面

三、虛擬仿真平臺方案

1.總體方案

結(jié)合實(shí)際需求以及DEMO3D實(shí)現(xiàn)功能，該虛擬仿真平臺方案如圖7。

2.軟件平臺DEMO 3D介紹

根據(jù)英國 Emulate3D 公司官網(wǎng)及百度百科介紹，Demo3D是由英國Emulate3D 公司開發(fā)的高逼真度物流系統(tǒng)動畫、仿真、控制平臺，主攻物流系統(tǒng)的數(shù)字化敏捷設(shè)計(jì)、震撼展示、方案驗(yàn)證，Demo3D創(chuàng)新地支持PLC 外部設(shè)備和SoftPLC數(shù)據(jù)直接控制虛擬模型，操作極為簡便，極大縮短物流設(shè)備試車時(shí)間，降低調(diào)試費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。Demo3D操作界面，如圖8。

四、虛擬仿真平臺實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)

1.實(shí)現(xiàn)步驟（ 如表1）

2.硬件平臺

衡陽煙草物流中心現(xiàn)有PLC為西門子300系列及400系列，為適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，該平臺采用了最新的1500系列的CPU，如圖9。

3.模擬試驗(yàn)

參考Emulated3d公司公布的建模和調(diào)試技術(shù)方案，衡陽煙草新開發(fā)的異型煙分揀電控系統(tǒng)在該平臺進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。異型煙分揀設(shè)計(jì)流程，如圖10。異型煙電控系統(tǒng)架構(gòu)，如圖11。異型煙分揀換層模擬驗(yàn)證，如圖12。

圖10 異型煙分揀設(shè)計(jì)流程

圖11 異型煙電控系統(tǒng)架構(gòu)

圖12 異型煙分揀換層模擬驗(yàn)證

表1 虛擬仿真平臺實(shí)現(xiàn)步驟

五、結(jié)論

本文以現(xiàn)有通用的卷煙商業(yè)企業(yè)物流中心設(shè)備為背景，介紹了一種電控系統(tǒng)虛擬仿真平臺的實(shí)現(xiàn)方法，并深入分析了平臺具備的功能及開發(fā)步驟。該平臺具有一定的普遍性和實(shí)用性，為提高電控系統(tǒng)運(yùn)維技術(shù)水平和系統(tǒng)程序更新及驗(yàn)證，提供了獨(dú)立平臺。平臺設(shè)計(jì)簡單易用，能滿足現(xiàn)場電控系統(tǒng)維護(hù)及開發(fā)需求。