基于unity3d的plc教学实训平台研究

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1、基于Unity3D的PLC教学实训平台研究　　摘要：针对各高等院校PLC教学实训平台的不足，为满足学生在各种应用场所都能调试PLC程序的需求，应用虚拟现实技术，开发了一个PLC半实物虚拟仿真实训平台。平台由可编程控制器、通信模块和虚拟场景组成，采用3DsMax对场景和设备进行建模，V-Ray渲染器对模型进行渲染，通过Unity3D三维引擎开发平台完成虚拟场景构建，通过通信模块实现PLC与虚拟场景的通信。经过多个虚拟场景的控制实验测试，平台可稳定运行。学生能够实时高效地编写并调试程序，直观感受被控对象的运行，增

2、强现场体验感，加深对PLC的认识，降低了同程度下的教学成本。　　关键词：虚拟现实；PLC；实训平台；Unity3D　　DOIDOI：10.11907/rjdk.161661　　中图分类号：TP319　　文献标识码：A文章编号：16727800（2016）010011104　　0引言　　PLC是集自动化、计算机、通信3种技术于一体的高科技产物。随着科技的不断发展，急需大量熟练应用PLC的人才[1]。不容忽视的是调试程序环节在PLC控制系统的设计与应用中至关重要。目前，PLC的传统教学方式主要有3种：①通常PLC

3、编程软件会提供仿真调试功能用来调试程序，学生编写程序并下载到PLC中，并观察输出端口状态验证程序，由于缺少实际被控对象，无法直观感受被控对象的执行效果；②10现有的PLC专用实验平台控制模式多样化，实验生动形象，但费用较高，设备更新困难，维护需请专业人员[2]；③现场实操，直接在实际控制系统中调试程序，效果显著，但具有很大的危险性，并且现场实操需要一定的硬件设施，倘若设施不完备，实训教学将不能正常开展[3]。　　针对PLC传统教学存在的问题，基于集模拟性、沉浸性、交互性于一体的虚拟现实技术，设计了基于Unit

4、y3D的PLC半实物虚拟仿真实训平台。利用三维模型搭建、三维交互设计、通信模块设计等技术为学生提供了一个直观、经济、安全、高效的PLC学习环境，成本低、易维护、可扩展性强。通过该平台学生可以实时地编写并调试程序，动态分析各种被控对象的执行效果，加以真实的环境音效，增强现场体验感，激发学习兴趣，提高学习效率。同时减少了同程度下的教学成本，避免了设备损坏，保障了人身安全，具有较高的经济性和安全性。　　1虚拟仿真实训平台总体框架　　1.1半实物仿真　　半实物仿真（semiphysicalsimulation）又称硬

5、件在回路仿真，是将数学模型与物理模型或实物模型相结合进行实验[4]。保证实时性是硬件在回路仿真的关键，仿真平台的实物部分与仿真部分之间的接口设计也尤为重要。例如本平台中实物PLC和三维虚拟场景之间数据的转换和传输需要通信接口来完成。　　通常情况下有两种方式可以实现半实物仿真平台设计：①将PC机作为控制器，被控装置作为实物部分放置在仿真平台的回路中；②10控制器（如PLC）为实物，被控装置通过建立数学模型来实现[5]。针对PLC虚拟仿真实训平台的特点，本文选用第二种方式来设计半实物仿真平台。以PLC控制器为实物

6、，建立被控装置三维模型，通过观察虚拟场景的执行状态来调试PLC程序。　　1.2虚拟现实技术　　虚拟现实（VirtualReality）又称灵境技术，利用三维图形生成技术、多传感交互技术等模拟实际三维空间，让使用者如身临其境一般在视觉、听觉、触觉上感受虚拟场景[68]。例如本实训平台中的PC机虚拟场景，利用动态环境建模、三维交互设计、虚拟传感器以及系统集成等技术来完成PLC虚拟仿真实训平台的构建。　　1.3实训平台总体设计　　PLC虚拟仿真实训平台主要由PLC、PC机虚拟场景和通信模块组成。PLC发出真实控制信

7、号，通过通信模块传输给PC机，此外PLC接收虚拟场景输出的虚拟传感信号。PC机虚拟场景采用3DsMax和Unity3D设计，显示被控对象各种运行状态。通信模块主要是虚拟现实数据接口，本系统利用单片机来完成PLC与计算机之间数据的转换与传输。平台整体设计如图1所示，具体的数据流图如图2所示。PLC输出控制信号通过虚拟现实数据接口传送到Unity3D虚拟场景，虚拟设备根据接收到的虚拟控制信号来模拟实际设备的运行效果。运行过程中，Unity3D中的虚拟传感信号经过通信模块传送给PLC，PLC接收到信号后检测虚拟设备

8、的运行情况并发出控制信号进行相应的调整，实现虚拟仿真实训平台的正常运行。　　2PLC实训平台开发10　　PLC虚拟仿真实训平台开发主要包括三维模型搭建、交互开发、理论测试模块、硬件平台开发4部分。　　2.1三维模型搭建　　模型与场景搭建是设计一个虚拟现实平台的必要前提[9]，PLC虚拟仿真实训平台使用几何建模和物理建模来创建三维模型。当前有许多三维建模软件，比如3DsMax、CATIA、UG等，其中