一种工业控制虚拟现实教学实训平台及其操作方法与流程

文档序号：12826643阅读：474来源：国知局

本发明涉及一种虚拟现实平台，具体涉及一种工业控制虚拟现实教学实训平台及其操作方法。

背景技术：

目前对于工业控制的编程教学，需要学生在编写完相关控制程序后，通过工业控制用plc（或工控机）在生产线现场进行实际操作或验证。但是，建设一条生产线的价格非常高昂，生产线的运行成本很高，学生在学习过程中消耗大量原材料却不能得到可以销售的产品成品，原材料损耗成本也非常高昂。

为了对学生进行实训需要暂停生产线的生产计划会增加工厂的运行成本。

没有经验的学生对生产线上的各种设备运转不熟悉，容易出现操作失误造成人身伤害和设备损坏。

随着技术的进步，生产线的更新换代，为了让学员掌握最新的技术，需要不断购买新的设备花费巨大。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种工业控制虚拟现实教学实训平台,包括控制模块、虚拟现实模块和通讯接口模块：

所述控制模块用于根据实习程序产生第一控制信号，将所述第一控制信号传输至通讯接口模块并接收通讯接口模块传输的第二反馈信号；所述实习程序是指学生根据教学要求编写的需要在自动化生产线实际运行验证的控制程序；

所述虚拟现实模块集成有虚拟工厂仿真单元并接收通讯接口模块传输的第二控制信号，依照所述第二控制信号通过虚拟工厂仿真单元中的虚拟驱动模块控制所述虚拟工厂仿真单元中的虚拟自动化生产线运转并产生第一反馈信号，并将所述第一反馈信号传输至通讯接口模块；

所述通讯接口模块用于接收控制模块传输的第一控制信号，将第一控制信号转换为第二控制信号传输至虚拟现实模块；接收虚拟现实模块传输的第一反馈信号，并将第一反馈信号转换为第二反馈信号传输至控制模块。

进一步的，所述虚拟自动化生产线包括各种虚拟机电设备，所述虚拟机电设备能够虚拟真实机电设备的重力特性、惯性特性、碰撞特性或空间干涉物理特性中的一种或多种。

进一步的，所述虚拟自动化生产线的各种虚拟机电设备包括虚拟皮带输送机、虚拟提升装置、虚拟对中装置、虚拟抓取机器手、虚拟自动包装打捆机或各种机械加工机具中的一种或多种。

进一步的，所述虚拟工厂仿真单元中的虚拟驱动模块包括虚拟机电驱动模块、虚拟液压驱动模块和虚拟气动驱动模块中的一种或多种；所述虚拟驱动模块用于驱动虚拟机电设备。

进一步的，所述第一反馈信号为虚拟工厂仿真单元运行时产生的信号，包括：虚拟接近开关在材质为金属的虚拟设备靠近时产生虚拟开关量信号、虚拟激光检测器在虚拟运动物体遮挡时产生的虚拟开关量信号、虚拟角度和位移传感器在虚拟设备运动所产生的角位移或直线位移量产生的虚拟量信号或ssi信号、虚拟液位传感器在虚拟液位到达虚拟制定平面时产生的虚拟开关量信号或虚拟编码器在虚拟机电运转时产生虚拟运转速率信号中的一种或多种。

所述第二反馈信号为通讯接口模块依据所述第一反馈信号转换而成的电信号。

进一步的，所述虚拟工厂仿真单元内部还集成有各种虚拟仪表用于用户在虚拟现实环境中查看。

进一步的，所述虚拟工厂仿真单元还集成有各种虚拟操作台用于用户在虚拟现实环境中通过虚拟操作台操作虚拟机电设备；所述虚拟操作台包括虚拟操作手柄、虚拟操作按钮或虚拟操作指示灯中的一种或多种；

所述虚拟工厂仿真单元还集成有虚拟马达控制柜及虚拟电源开关柜用于虚拟机电设备的供电合闸操作或分闸操作或跳闸操作；

所述虚拟工厂仿真单元还集成有虚拟手动液压球阀用于虚拟液压回路的启动或停止；

所述虚拟工厂仿真单元还通过预编程设置虚拟自动化生产线的正常运行状态，并将控制模块接收的实习程序在虚拟自动化生产线的运行效果与正常运行状态进行比对，若两者运行状态不一致则给出提示；

所述虚拟工厂仿真单元还集成有安全事故虚拟，包括机电过载事故虚拟或液压系统危险压力事故虚拟；

所述虚拟工厂仿真单元还集成有虚拟工业厂房建筑，包括建筑内照明，通过设置光源布局，以及光源的照度，色温，显色性等参数实现对工业厂房内照明状况进行虚拟；

所述虚拟工厂仿真单元还集成有虚拟声学引擎，用于产生各类虚拟机电设备运转时产生的不同声效，实现对工业厂房噪声环境虚拟。

进一步的，所述通讯接口模块包括工控机信号接口板单元、以太网单元、脉冲信号发生器单元和嵌入式工控机单元；

所述工控机信号接口板单元用于通讯接口模块与控制模块之间的数字信号通讯和模拟信号通讯；

所述以太网单元用于实现通讯接口模块与虚拟现实模块之间以socket方式通讯；

所述脉冲信号发生器单元对增量编码器、绝对值编码器、智能仪表的输出进行模拟，产生增量编码器信号及同步串行接口信号并发送至控制模块；

所述嵌入式工控机单元将由控制模块发出的第一控制信号转换为预设格式的第二控制信号经由以太网单元以socket方式发送至虚拟现实模块；

所述嵌入式工控机单元经由以太网单元以socket方式接收虚拟现实模块发出的第一反馈信号，将第一反馈信号转换为预设格式的第二反馈信号发送至控制模块；

进一步的，所述嵌入式工控机单元的工控机信号接口模板采样频率设置为与控制模块plc采样频率ts一致；

嵌入式工控机单元与虚拟现实模块之间的socket通信周期tv设置为控制模块plc采样频率周期ts减去工控机单元信号闭环处理周期时间tq，即ts=tv+tq。

本发明还提供一种工业控制虚拟现实教学实训平台的操作方法，包括下述步骤：

s1在通讯接口模块的嵌入式工控机单元中编写信号转换程序，将控制模块plc发出的电信号转换为数字信号，通过以太网单元以socket方式发送至虚拟现实模块；

s2在控制模块plc端编写或输入实习程序；所述实习程序是指学生根据教学要求编写的需要在自动化生产线实际运行验证的控制程序；并在实习程序的运行效果未达到设计效果时，对实习程序进行修改；

s3虚拟工厂仿真单元内部设置第二控制信号与虚拟驱动模块对接，运行控制模块端的实习程序，控制模块发出的第一控制信号经过通讯接口模块转换为第二控制信号，虚拟驱动模块依照第二控制信号驱动虚拟机电设备，虚拟现实模块响应用户操作虚拟生产线运行时虚拟生产线产生第一反馈信号由通讯接口模块转换为第二反馈信号传输至控制模块；

s4在虚拟现实环境下，相关人员对虚拟操作台进行操作，观察虚拟设备、虚拟仪表、虚拟传感器的状况，以验证控制模块程序的执行效果；

s5若步骤4中虚拟现实环境下观察到程序执行效果未达到预计效果，重复步骤s2、s3和s4，直到达到预计效果；

s6虚拟各类安全事故，相关人员观察虚拟事故中程序运行数据，完善安全事故应急处理程序；

s7若出现虚拟安全事故，相关人员通过拍下虚拟操作台急停按钮，关闭虚拟液压球阀，对虚拟断路器分闸等操作来关闭能源回路，虚拟安全事故应急处理；

进一步的，所述步骤s4还包括：

s41测试人员在虚拟现实环境中乘坐虚拟移动小车，从各个不同视角观察生产线动作，通过虚拟现实头盔方向定位及移动虚拟现实操作手柄并确认的配合操作来完成虚拟移动小车的移动操作；

s42测试人员对虚拟操作台进行操作，虚拟操作台设置有虚拟操作手柄、虚拟操作按钮或虚拟操作指示灯中的一种或多种，通过虚拟现实头盔方向定位及移动虚拟现实操作手柄并确认的配合操作来完成虚拟操作台操作。

进一步的，所述步骤s6还包括：

s61虚拟传感器损坏或数据故障导致的生产线安全事故；

s62虚拟关键设备掉电，损坏或飞车运行导致的生产线安全事故；

s63虚拟控制plc掉电或复位引起的生产线安全事故；

s64虚拟因物料堆积卡顿引起的生产线安全事故。

进一步的。所述操作方法还包括，预先编制好虚拟自动化生产线的运行程序、一致性判别程序及预设结果，通过预编程设置虚拟自动化生产线的正常运行状态；当采用实习程序控制虚拟自动化生产线运行时，运行所述一致性判别程序判别实习程序的运行结果是否与正常运行状态一致，若一致则给出合格评判，若不一致将给出错误提示。

本发明的有益效果为：

1.不必安装实际生产设备（如电动机，液压系统，各类机电设备等），即可达到教学，实验仿真目的。

2.可方便的通过软件升级，改换模拟各类生产线，无需真实购买设备。

3.在后续实用中不产生机电设备检修相关问题。

4.对于学校教学，公司内部仿真，不存在程序错误或误操作所产生的人身设备财产安全问题。

5.控制端编写的目标程序可在“虚拟数字化工厂”内按物理惯性规律自动运转“虚拟自动化生产线”，同时“虚拟自动化生产线”可实时返回“虚拟传感器”触发信号，实现完全闭环实时在线模拟。控制模块到接口模块范围内，所有控制程序运行及产生的真实电信号与真实生产状况无异，能够真实的模拟工厂的运行。

6.除了能以vr模式体验“虚拟数字化工厂”外，还可对“虚拟自动化生产线”进行手动操作。

7.可实时在线模拟各类非正常安全事故及应急状况处理，用以提高目标程序对于应急状况处理的安全性和完备性，也可用于安全生产教育培训。

8.该实验平台，不必安装实际生产设备（如电动机，液压系统，各类机电设备等），即可达到教学，实验仿真目的。

9.该平台对于不同的工艺生产线，可方便的通过软件升级，新增各类仿真生产线，无需真实购买设备。

10.相较于传统的工业控制实验（实训）应用，该平台在后续使用中不产生机电设备检修相关问题。

11.对于在学校教学，公司内部进行工业控制实验，不存在程序错误或误操作所产生的人身设备财产安全问题。

附图说明

图1为本发明工业控制虚拟现实教学实训平台结构图。

图2为本发明工业控制虚拟现实教学实训平台使用环境图。

图3为本发明工业控制虚拟现实教学实训平台信号连接关系图。

具体实施方式

本发明解决背景技术问题的核心思路之一是：虚拟现实模块与控制模块实时通讯，相关人员在控制模块编制好程序后，控制模块输出真实的电信号被通讯接口模块转换为虚拟控制信号实时传送到虚拟现实模块，虚拟现实模块按虚拟控制信号控制生产线实时运行动作，此时相关人员可以在虚拟现实环境中通过实景观察，操作验证的方式检验设备是否按程序动作，同时虚拟设备运行时若触发虚拟传感器，虚拟现实系统将虚拟反馈信号发送至通讯接口模块，通讯接口模块将虚拟反馈信号转换为真实的反馈信号发送至控制模块，实现闭环在线实时模拟。

本发明提出一种工业控制虚拟现实教学实训平台,包括控制模块、虚拟现实模块和通讯接口模块：

控制模块由工业控制用plc或/和工控机组成，用户事先在控制模块内编好生产线运行程序，控制模块依据预先编好的程序发送控制信号控制虚拟现实模块中数字工厂仿真单元的运行；同时接受数字工厂仿真单元发送的反馈信号，反馈信号包括数字工厂仿真单元各种虚拟传感器发送的虚拟信号以及相关人员在数字工厂仿真单元中的虚拟操作台进行操作所发出的操作信号。用户可以在虚拟现实环境中观察生产线的运行，进而对自己编写的生产线运行程序作出评价，进一步的可以依据数字工厂仿真单元的运行来对生产线运行程序进行调整，达到学习编写生产线运行程序的目的。

虚拟现实模块包括虚拟现实硬件和虚拟现实软件模块，虚拟现实硬件可以是市面上的通用虚拟现实产品比如htc的vivo等通用的虚拟现实硬件。虚拟现实软件模块包括虚拟现实硬件厂家提供的与虚拟现实硬件配套的虚拟现实底层软件模块和本发明提供的虚拟工厂仿真单元，用户在使用本系统时，先启动虚拟现实硬件厂家提供的虚拟现实底层软件模块再启动本发明提供的虚拟工厂仿真单元软件模块。

虚拟工厂仿真单元内集成的虚拟数字工厂，采用unity3dpro程序开发引擎来模拟真实物理世界实现虚拟现实、跨平台应用，数字工厂仿真单元内的各类虚拟机电设备皆模拟重力，惯性，碰撞，空间干涉等真实物理特性，数字工厂仿真单元可真实模拟各类工业厂房及逻辑控制的自动化生产线。

unity3dpro程序作为广泛使用开发引擎，对于开发人员学习成本低可以实现快速开发。

通过在数字工厂仿真单元内的各类机电设备模拟真实物理特性，可以使用户在虚拟现实环境数字工厂仿真单元中对各类机电设备的物理特性进行学习和了解，同时避免在真实生产线操作时所发生的危险和物料损耗。

第一控制信号为控制模块发出真实控制电信号，第二控制信号为对虚拟工厂仿真单元内部虚拟设备的虚拟控制信号。

第一反馈信号为虚拟工厂仿真单元内部虚拟设备的虚拟反馈信号，第二反馈信号为由第一反馈信号转换而成的与虚拟反馈信号对应的真实反馈信号。

通讯接口模块由一套信号转换plc系统组成，其具有以太网模块，数字模拟量输入输出模块，可将控制模块发出的信号（数字量，模拟量）输出转化为socket信号通过以太网传送给虚拟现实模块，同时将虚拟现实模块产生的虚拟传感器信号（socket方式）转化为数字量，模拟量信号反馈给控制模块，包括数字量数据采集板卡(32channeldi,32channeldo)，模拟量数据采集板卡（16channel16bitai,8channel16bitai）。

通讯接口模块用于实现控制模块与虚拟现实模块之间的通信，虚拟现实模块中虚拟传感器产生的虚拟信号以及相关人员对在虚拟现实模块中虚拟操作台进行操作的信号嵌入式工控机，对于第一控制信号中的数字信号由数字量数据采集板卡完成，对于第一控制信号中的模拟量由模拟量数据采集板卡完成。

所述虚拟自动化生产线包括各种虚拟机电设备，所述虚拟机电设备能够虚拟真实机电设备的重力特性、惯性特性、碰撞特性或空间干涉物理特性中的一种或多种。

虚拟工厂仿真单元内集成的数字工厂仿真单元内所有的工厂外形模型，机电设备外形模型，传感器外形模型皆采用3dmax软件建模后数字化导入，采用3dmax软件导入市面上通用开源的3dmax机电设备模型可以节省成本，同时3dmax软件使用广泛，学习成本低。

所述虚拟自动化生产线的各种虚拟机电设备包括虚拟皮带输送机、虚拟提升装置、虚拟对中装置、虚拟抓取机器手、虚拟自动包装打捆机或各种机械加工机具中的一种或多种。

所述虚拟工厂仿真单元中的虚拟驱动模块包括虚拟机电驱动模块、虚拟液压驱动模块和虚拟气动驱动模块中的一种或多种；所述虚拟驱动模块用于驱动虚拟机电设备。

虚拟现实模块内集成的数字工厂仿真单元能实时接收控制模块发来的通过接口模块转换的信号，并利用内置的电机驱动模块，液压驱动模块，气动驱动模块，驱动具备物理特性的虚拟机电设备，包括电机驱动的皮带输送机，液压驱动的提升装置，气动驱动的对中装置，抓取机器手，自动包装打捆机等，实现自动化流水线真实模拟。

相关人员在控制模块（plc）完成编程后，虚拟现实模块接收控制模块发出的工控信号，数字工厂仿真单元保证设备完全按照控制模块的预先编制的程序在虚拟的物理惯性环境下运转。相关人员可在虚拟数字工厂内进行“真实感官的”互动，包括视觉，听觉，设备操作，人机互动等，从而实现对工业控制程序进行观察，修改，验证，大大加强了学习体验。该实验平台具有完全的模拟实时性。

该教学平台通过通讯模块将工业控制模块和虚拟现实模块实时连接起来。相关人员在工业控制模块（plc）编写控制程序后，其产生的实时控制信号，如di，do，ai，ao等信号，通过通讯接口模块传输到虚拟现实模块，虚拟现实模块内的数字化工厂仿真软件模块可根据工业控制模块发出的信号控制数字工厂仿真单元设备动作，并同时可将设备动作触发的虚拟传感器信号返回给工业控制模块，实现实时在线模拟。

所述第一反馈信号为虚拟工厂仿真单元运行时产生的信号包括：虚拟接近开关在材质为金属的虚拟设备靠近时产生虚拟开关量信号、虚拟激光检测器在虚拟运动物体遮挡时产生的虚拟开关量信号、虚拟角度和位移传感器在虚拟设备运动所产生的角位移或直线位移量产生的虚拟量信号或ssi信号、虚拟液位传感器在虚拟液位到达虚拟制定平面时产生的虚拟开关量信号或虚拟编码器在虚拟机电运转时产生虚拟运转速率信号中的一种或多种。

虚拟工厂中的虚拟传感器模块模拟真实传感器的运行，模拟真实传感器的反馈，实现对生产线的虚拟模拟，使得用户可以在数字工厂仿真单元中学习和了解真实生产线的运行，同时避免了真实生产线运行的危险性和对物料的损耗。

所述第二反馈信号为通讯接口模块依据所述第一反馈信号转换而成的电信号。

所述虚拟工厂仿真单元内部还集成有各种虚拟仪表用于用户在虚拟现实环境中查看。

所述虚拟工厂仿真单元还集成有各种虚拟操作台用于用户在虚拟现实环境中通过虚拟操作台操作虚拟机电设备；所述虚拟操作台包括虚拟操作手柄、虚拟操作按钮或虚拟操作指示灯中的一种或多种；

所述虚拟工厂仿真单元还集成有虚拟马达控制柜及虚拟电源开关柜用于虚拟机电设备的供电合闸操作或分闸操作或跳闸操作；

所述虚拟工厂仿真单元还集成有虚拟手动液压球阀用于虚拟液压回路的启动或停止；

虚拟工厂仿真单元内集成各种虚拟仪表和虚拟操作台使得用户可以在虚拟环境中观察数字工厂仿真单元的运行，并对数字工厂仿真单元进行操作，用户在数字工厂仿真单元中进行相关知识的学习同时避免在真实生产线中进行学习所产生的成本和危险。

所述虚拟工厂仿真单元还集成有安全事故虚拟，包括机电过载事故虚拟或液压系统危险压力事故虚拟；

虚拟工厂仿真单元内集成的数字工厂仿真单元内部集成各类安全事故模拟，包括电机过载，液压系统危险压力等。

因为安全事故会对生产线造成重大损伤或者对相关人员造成生命危险，在真实的生产线中对于安全事故的教学是不可执行的。通过在数字工厂仿真单元中对安全事故进行模拟可以帮助用户熟悉各种安全事故的紧急应对，当用户在真实生产线进行操作时，遇到安全事故可以从容应对，

虚拟工厂仿真单元内集成工业厂房建筑外形，包括建筑内照明，可通过设置光源布局，以及光源的照度，色温，显色性等参数对工业厂房内照明状况进行模拟有利于用户对真实生产线环境的适应。

所述虚拟工厂仿真单元还集成有虚拟声学引擎，用于产生各类虚拟机电设备运转时产生的不同声效，实现对工业厂房噪声环境虚拟。

通过对工业厂房噪声环境的模拟，有利于用户在虚拟现实环境中适应工业厂房的环境，使得用户可以在日后真实的工业厂房环境中不会感到不适。

所述通讯接口模块包括工控机信号接口板单元、以太网单元、脉冲信号发生器单元和嵌入式工控机单元；

通讯接口模块用于虚拟现实模块与工业控制模块通讯，其主要由一小型plc组成，该plc含有cpu模块，数字量输入输出模块，模拟量输入输出模块以及以太网模块，它的主要作用为接收控制模块发出的真实电信号，然后转换为约定格式的socket网络通讯电文发送给虚拟工厂仿真单元，同时将虚拟工厂仿真单元运行产生的socket网络通讯电文格式的“模拟传感器”信号转换为真实的电信号，回传给控制模块的plc。

通讯接口模块实现了虚拟现实模块和控制模块之间的连接，控制模块发出的信号被转化为对虚拟工厂仿真单元内部机电的控制，并接受虚拟工厂仿真单元中虚拟传感器的反馈，从而实现用户在虚拟现实环境中对控制模块中事先编号的程序的验证，实现用户在虚拟现实环境中对数字工厂仿真单元的操作。