【智能物流】电控系统虚拟仿真平台的实现方法

2020 年 4 月 14 日 产业智能官

原创李学勇、钟亮物流技术与应用

文｜衡阳市烟草公司物流配送中心

李学勇、钟亮

为解决当前卷烟商业企业物流中心电控系统运维技术水平提升问题，本文提出建立基于西门子1500系列CPU的可视化虚拟仿真平台，实现编程驱动设备三维仿真模型的可见即所得效果，极大地提高培训的可视性和有效性，也给系统更新和新电控系统开发的程序验证提供了独立平台，有效提高电控运维技术培训效果和程序更新验证速度。该平台对于行业内外具有较强的参考价值。

一、引言

为适应市场变化，提升卷烟物流的“核心支撑能力”，自2009年起，湖南烟草开始了全省的物流中心设备技改和技术引进，截至2019年6月，全省烟草商业企业物流中心作业形式完成了从人工向自动化的过渡。设备自动化的核心是PLC电控系统，系统实施后，其生命周期即进入了运维和更新阶段。因此，全新的中大型电控系统的投入运行，一方面带来了卷烟仓储和分拣作业的极大便利，一方面也给系统的运行维护和程序更新工作带来了巨大挑战。

为解决电控系统应用后的运维技术培训、系统更新以及新系统开发模拟验证等需求，以衡阳烟草物流中心现场自动化设备为研究对象，结合现有的全景、三维、实时设备状态监控系统，探讨研究一种用于技术培训和系统验证的独立仿真平台。

本文研究得到了湖南省烟草公司科技项目：烟草商业物流设备备品备件管理模式研究及应用（18-20Bb10）及衡阳市烟草公司科技项目：基于VR技术的衡阳烟草卷烟物流设备虚拟现实培训模式研究的资助。

图1是物流中心设备工艺三维展示：

联合工房共分入库、出库、备货、补货及分拣等5大区域，包含497台/套自动化设备，PLC控制总站5个，子站47个。

二、常见的电控系统培训方式

1.现场培训

由于电控系统属于理论与实践结合极其紧密的实战型系统，对于人员的技能培训和素质提升，最好能够在作业现场进行。

从图3可见，如果采用现场教学，可以保证培训效果，但最大的缺点是培训基于现场实际设备，系统进行代码运行、测试以及受训人员的各种误操作都是直接驱动实际设备，有可能对既有的设备和系统造成不可预计的损坏，因此，导致现场培训难以展开，目前，也没有单位敢于在自家运行良好的设备基础上进行系统级别的教学和实践。

2.现场还原形式

现场测试的风险无法避免，某卷烟企业投入大量资金建立了小型的试验现场，还原车间设备作业流程，用于运维技能的培训及程序调试，但该种方式需要资金数百万元，对于单个商业企业物流中心来说，其推广意义不大。

3.独立试验平台

针对效果良好的现场教学以及关键设备复原方式无法推行的现状，行业目前有开设电控系统培训，采用替换模拟形式的方式和工具介质，即代码运行和系统运行的正确与否，不需要受训人员所看到的系统所驱动的设备状态来验证，而是用声、光以及简单的电机运转来模拟。某卷烟工业公司独立试验室，如图4。

从上述内容可以看出，行业目前主流的培训方式较为传统且单一，对于没有丰富的实践经验的受训人员来说，是无法靠“想象”将声、光的信息与设备实际运行场景联系起来的。因此，文章所研究的电控系统虚拟仿真平台就必须满足以下三个要求：

选择合适虚拟仿真平台，创建单机、组合设备的三维虚拟模型，实现关键设备场景还原；

根据不同物流中心实际，创建灵活的电控系统硬件平台框架；
完成硬件平台程序输出，驱动仿真平台虚拟模型，创建可视化的运维技能提升及程序调试验证环境。

通过以上借鉴点参考，按照“虚拟仿真”的思路，平台研发设计要以现场设备以及电控系统架构为基础，将电控系统硬件平台与三维虚拟环境有效结合，实现可视化的虚拟仿真培训以及程序在线调试检测平台。虚拟仿真平台假想图，如图6。

三、虚拟仿真平台方案

1.总体方案

结合实际需求以及DEMO3D实现功能，该虚拟仿真平台方案如图7。

2.软件平台DEMO 3D介绍

根据英国 Emulate3D 公司官网及百度百科介绍，Demo3D是由英国 Emulate3D 公司开发的高逼真度物流系统动画、仿真、控制平台，主攻物流系统的数字化敏捷设计、震撼展示、方案验证，Demo3D创新地支持PLC 外部设备和SoftPLC数据直接控制虚拟模型，操作极为简便，极大缩短物流设备试车时间，降低调试费用和风险。Demo3D操作界面，如图8。

四、虚拟仿真平台实现及试验

1.实现步骤（如表1）

2.硬件平台

衡阳烟草物流中心现有PLC为西门子300系列及400系列，为适应新技术的发展，该平台采用了最新的1500系列的CPU，如图9。

3.模拟试验

参考Emulated3d公司公布的建模和调试技术方案，衡阳烟草新开发的异型烟分拣电控系统在该平台进行了模拟验证。异型烟分拣设计流程，如图10。

异型烟电控系统架构，如图11。

异型烟分拣换层模拟验证，如图12。

五、结论

本文以现有通用的卷烟商业企业物流中心设备为背景，介绍了一种电控系统虚拟仿真平台的实现方法，并深入分析了平台具备的功能及开发步骤。该平台具有一定的普遍性和实用性，为提高电控系统运维技术水平和系统程序更新及验证，提供了独立平台。平台设计简单易用，能满足现场电控系统维护及开发需求。

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