王大虎+盧正帥+賈倩

摘 要：針對(duì)高校電氣控制課程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)量不足、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容簡(jiǎn)易匱乏和學(xué)生工程實(shí)踐能力差等問(wèn)題，選擇生活中較為典型的恒壓供水系統(tǒng)作為教學(xué)載體，設(shè)計(jì)了恒壓供水虛擬實(shí)訓(xùn)裝置。系統(tǒng)采用3ds Max建立水泵、壓力傳感器、水池等三維模型，利用Unity 3D開(kāi)發(fā)恒壓供水上位機(jī)虛擬仿真軟件，以PLC、變頻器和繼電器等搭建硬件控制電路作為下位機(jī)，上位機(jī)仿真軟件和下位機(jī)硬件控制電路通過(guò)通信接口模塊連接交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了融合虛擬場(chǎng)景和硬件控制電路的虛擬實(shí)訓(xùn)裝置的開(kāi)發(fā)。結(jié)果表明，虛擬實(shí)訓(xùn)裝置能夠有效降低實(shí)訓(xùn)設(shè)備成本，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足，充實(shí)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：恒壓供水；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維建模；工程實(shí)踐

DOIDOI：10.11907/rjdk.171369

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2017）008-0100-03

0 引言

恒壓供水系統(tǒng)在自來(lái)水廠、居民生活區(qū)、企業(yè)生產(chǎn)用水和農(nóng)田灌溉系統(tǒng)等方面應(yīng)用廣泛，恒壓供水設(shè)備可靠安全運(yùn)行直接關(guān)系到人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。電氣控制課程專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生將理論水平轉(zhuǎn)化為動(dòng)手能力過(guò)程中和培養(yǎng)實(shí)際解決問(wèn)題能力方面發(fā)揮了重要作用。因此，將恒壓供水系統(tǒng)列入電氣控制課程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容十分必要。

目前電氣控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式主要有以下3種[2]：①學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)編寫(xiě)PLC梯形圖控制程序后下載到控制器中觀察輸出點(diǎn)指示燈狀態(tài)，判斷程序是否實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，因該方法缺少控制對(duì)象，故只可進(jìn)行簡(jiǎn)單軟件調(diào)試；②高校依據(jù)課程安排選取典型控制對(duì)象如電機(jī)和交通燈等模擬實(shí)際控制系統(tǒng)，但與實(shí)際工程相差較遠(yuǎn)；③采用大型PLC綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能夠模擬多種工業(yè)控制系統(tǒng)，但設(shè)備價(jià)格昂貴，設(shè)備損耗嚴(yán)重，大量購(gòu)買(mǎi)設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)。胡盤(pán)峰等[3]設(shè)計(jì)的基于PLC的新型變頻恒壓供水系統(tǒng)，缺少上位機(jī)組態(tài)，人機(jī)交互性差，主要適用對(duì)象為住宅小區(qū)，不適用于學(xué)生實(shí)訓(xùn)。居榮等[4]開(kāi)發(fā)的基于實(shí)際應(yīng)用的恒壓供水實(shí)驗(yàn)裝置，僅有缺少樓層模擬，與實(shí)際工程應(yīng)用差距較大。張學(xué)輝等[5]的開(kāi)發(fā)基于PLC及變頻器的恒壓供水實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可擴(kuò)展性差。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于Unity 3D的恒壓供水系統(tǒng)虛擬實(shí)訓(xùn)裝置。系統(tǒng)采用3ds Max創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、虛擬傳感器和虛擬水泵等設(shè)備三維模型，以Unity 3D為模型引擎開(kāi)發(fā)上位機(jī)虛擬仿真軟件，下位機(jī)采用PLC和變頻器等設(shè)備組成硬件控制電路，上位機(jī)虛擬仿真軟件和下位機(jī)硬件控制電路通過(guò)通信接口模塊交換數(shù)據(jù)，具有操作簡(jiǎn)便、成本低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 虛擬恒壓供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)電氣控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，系統(tǒng)主要應(yīng)用于電氣控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在PLC程序運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)通過(guò)虛擬場(chǎng)景驗(yàn)證控制器的輸出信號(hào)，同時(shí)也需要將虛擬傳感器的狀態(tài)傳給控制器，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式來(lái)再現(xiàn)整個(gè)控制過(guò)程。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由仿真軟件、接口模塊和硬件電路三部分構(gòu)成。硬件電路輸出的各種控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)接口電路處理后送給仿真軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景中虛擬開(kāi)關(guān)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，虛擬傳感器的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)接口模塊送給控制電路，實(shí)現(xiàn)壓力控制的閉環(huán)。

仿真軟件主要用來(lái)模擬恒壓供水系統(tǒng)實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)工藝要求和性能要求，壓力傳感器采集壓力信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換模塊將設(shè)定值與采集值比較，PID根據(jù)變頻器參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果以頻率形式輸出以此控制水泵工變頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的目標(biāo)[1，6-7]。Unity 3D是虛擬恒壓供水系統(tǒng)仿真軟件的開(kāi)發(fā)工具，可視化編程界面，腳本編輯高效，支持多種編程語(yǔ)言，可以用來(lái)控制虛擬三維設(shè)備模型動(dòng)作和模擬真實(shí)控制效果，再現(xiàn)恒壓供水現(xiàn)場(chǎng)控制過(guò)程。

硬件部分包括接口模塊和控制電路，控制電路包括操作平臺(tái)和交互設(shè)備，交互設(shè)備包括鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，用來(lái)控制虛擬場(chǎng)景和視角?？刂齐娐分饕蒔LC、開(kāi)關(guān)電源、繼電器和變頻器等設(shè)備組成，接口模塊來(lái)以單片機(jī)和繼電器為核心實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和電壓線性轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 仿真軟件

2.1 模型創(chuàng)建

建模是虛擬仿真軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，模型質(zhì)量好壞決定了仿真軟件水平高低[8]。根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)拍攝的恒壓供水系統(tǒng)照片及網(wǎng)上搜集的相關(guān)資料，采用3ds Max創(chuàng)建恒壓供水裝置的三維模型及場(chǎng)景模型，如樓房、水箱、水泵、壓力傳感器等。建模時(shí)需要保證虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景相同，虛擬物體在場(chǎng)景中的擺放位置也應(yīng)與真實(shí)物體在現(xiàn)實(shí)世界中的擺放位置保持一致，在創(chuàng)建三維模型時(shí)為了減少軟件占用內(nèi)存空間，使軟件運(yùn)行更為流暢，需要?jiǎng)h除模型的面數(shù)和分段數(shù)。為了讓模型細(xì)節(jié)更加逼真，需要為模型添加貼圖。通常情況下設(shè)置圖片大小為512×512，格式為png。虛擬場(chǎng)景中管道模型材質(zhì)為不銹鋼，具有反射特性，因此需要為其添加反射貼圖，提高光澤度，降低高光級(jí)別，實(shí)現(xiàn)更逼真的效果。模型創(chuàng)建完成后，為保證模型比例一致，需要通過(guò)3ds Max將模型導(dǎo)出為.FBX格式文件。圖2為恒壓供水系統(tǒng)實(shí)物與三維線框模型對(duì)比。

2.2 數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換是虛擬交互基礎(chǔ)，通過(guò)C#命名空間System.IO.Ports中SerialPort類實(shí)現(xiàn)[9]。關(guān)鍵通信程序如下：

void Start（）

{

SP = new SerialPort（"COM3"， 9600， Parity.None， 8， StopBits.One）；

SP.Open（）；

_thPort = new Thread（RecData）；

_thPort.Start（）；

}

首先在Start函數(shù)內(nèi)實(shí)例化一個(gè)SerialPort類SP串口，初始化參數(shù)包括串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位，該參數(shù)應(yīng)與接口模塊串口參數(shù)一致。然后打開(kāi)串口，利用Thread函數(shù)開(kāi)啟一個(gè)RecData線程，用來(lái)接收數(shù)據(jù)幀。最后在FixedUpdat函數(shù)中調(diào)用。RecData程序如下：endprint

private void RecData（）

{ try

{ Byte[] buf = new Byte[1]；

if （SP.IsOpen） SP.Read（buf， 0， 1）；

if （buf.Length == 0）

return；//如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，直接返回；

else

UserData = buf[0]； //接收一位數(shù)據(jù)

}

catch （Exception ex）

{

Debug.Log（ex）；

}

}

在RecData線程內(nèi)，使用SP串口的Read函數(shù)循環(huán)讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果返回給數(shù)組buf。根據(jù)buf的長(zhǎng)度判斷是否讀取到數(shù)據(jù)，如果數(shù)組長(zhǎng)度為0則直接返回，否則將數(shù)據(jù)賦給UserData。軟件根據(jù)UserData的不同數(shù)值，執(zhí)行視角切換、水泵啟停、位置轉(zhuǎn)換等操作。

2.3 模型驅(qū)動(dòng)

將創(chuàng)建好的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D，同時(shí)為模型添加粒子特效模擬水流效果，設(shè)定粒子碰撞和粒子渲染參數(shù)。為了讓模擬場(chǎng)景水泵運(yùn)行聲音，需要在場(chǎng)景中添加音源組件Audio Source和聲音監(jiān)聽(tīng)組件Audio Listener，并添加到對(duì)象物體上，通過(guò)腳本控制水泵運(yùn)行聲音的有無(wú)。采用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)來(lái)控制Cam行走、轉(zhuǎn)向、仰視和俯視等動(dòng)作，通過(guò)RoleControl腳本實(shí)現(xiàn)角色控制，實(shí)現(xiàn)仰視和俯視角度的控制，Clamp和Euler兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)：Mathf.Clamp（headAngleY， downLimit， upLimit）；Head.transform.localRotation = Quaternion.Euler（headAngleY， 0， 0）。函數(shù)中參數(shù)headAngleY表示相機(jī)當(dāng)前沿Y軸方向的傾斜角度，downLimit和upLimit分別表示俯視和仰視的最大角度[10]。Clamp函數(shù)將返回一個(gè)位于downLimit和upLimit之間的值。當(dāng)headAngleY小于downLimit時(shí)，返回downLimit，當(dāng)headAngleY大于upLimit時(shí)，返回upLimit，否則返回headAngleY。從而避免出現(xiàn)俯視和仰視角度過(guò)大與現(xiàn)實(shí)不符的情況。Quaternion.Euler（headAngleY， 0， 0）表示繞X軸旋轉(zhuǎn)headAngleY度，即限制角色只在YZ平面仰視和俯視，以免出現(xiàn)左右傾斜的現(xiàn)象。

3 硬件電路

3.1 接口模塊

接口模塊采用STC12C5A60S2型號(hào)的單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心，包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和輸入輸出接口等[11]。電源電路用于將AC220V轉(zhuǎn)化為DC5V為單片機(jī)各部分供電，時(shí)鐘電路用于控制單片機(jī)，各部分電路嚴(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行工作，通過(guò)外部按鍵在單片機(jī)RST端產(chǎn)生高電平恢復(fù)各寄存器默認(rèn)狀態(tài)，輸入輸出電路則通過(guò)循環(huán)掃描端口的方式，接收外部經(jīng)過(guò)4N35光電隔離器的輸入信號(hào)。

3.2 控制電路

恒壓供水系統(tǒng)的目標(biāo)是將供水管網(wǎng)壓力通過(guò)傳感器送給控制器，由變頻器A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，壓力設(shè)定值和采集值兩個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)經(jīng)過(guò)PID控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果以運(yùn)行頻率的形式進(jìn)行輸出。PID控制模塊具有比較和差分的功能，當(dāng)供水壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，運(yùn)行頻率升高，反之則降低，同時(shí)也可根據(jù)壓力變化快慢進(jìn)行差分調(diào)節(jié)[12-14]?？刂齐娐酚蒔LC、變頻器和觸摸屏等組成，PLC采用的是西門(mén)子S7-200系列，虛擬傳感器采集的壓力流量值通過(guò)接口模塊送給PLC，然后PLC經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后輸出給控制變頻器和接口模塊，最后傳給虛擬仿真軟件用于控制虛擬水泵轉(zhuǎn)速和閥門(mén)開(kāi)度等模型，觸摸屏用于設(shè)定管網(wǎng)壓力，顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。如表1所示I/O分配表。

4 測(cè)試結(jié)果

無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)是目前常見(jiàn)的較為先進(jìn)的供水設(shè)備，主要由水泵、電機(jī)、控制柜、穩(wěn)流罐、遠(yuǎn)傳壓力表、集水管、負(fù)壓解除器、出水管、電磁閥等構(gòu)成，具有投資成本低、節(jié)能和設(shè)備占地少等優(yōu)點(diǎn)[15]。當(dāng)用戶用水量增加時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)到自來(lái)水的壓力低于用戶所需用水壓力，控制器則通過(guò)變頻器啟動(dòng)管網(wǎng)，直到管網(wǎng)壓力增加到用戶所需用水壓力時(shí)控制器控制變頻器以輸出恒定的工作頻率，保證管網(wǎng)壓力恒定。系統(tǒng)效果如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

采用三維建模、人機(jī)交互、虛擬仿真等技術(shù)，以生活中典型的恒壓供水系統(tǒng)為研究對(duì)象開(kāi)發(fā)的恒壓供水虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置解決了電氣控制課程中教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)易匱乏和學(xué)生工程實(shí)踐能力差等問(wèn)題。系統(tǒng)具有成本低廉、模型逼真和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

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