工业系统的虚拟实验与自动评估：基于3D仿真软件的PLC编程教育

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德工业系统通过自动评估阿道夫·JSánchez del Pozo，Juan Manuel Escaño，David Muñoz de la Peña，Fabio Gómez-EsternDepartamento de Ingeniería de Sistemas y Automática.塞维利亚大学Camino de los Descubrimientos，41092-塞维利亚，西班牙翻译后摘要：仿真软件的使用，使控制工程师设计更好的解决方案，降低开发成本，避免在过程中可能出现的关键错误进行控制。此外，仿真软件可以用于教育，为学生提供现实的问题。尽管有许多不同的连续系统解决方案，但很少有专注于自动化技术的工业过程模拟器。在这项工作中，我们提出了一个新的3D仿真软件的工业系统可编程逻辑控制器（PLC）的教育练习。该应用程序包括一个基于视频游戏技术的物理仿真引擎，它可以使用OPC协议与PLC通信，并允许学生实时测试他们的设计。此外，该应用程序的扩展可以通过与Goodle GMS电子学习平台结合使用来自动评估学生的工作。2011年和2012年，模拟软件已用于两个过程自动化课程。关键词：仿真软件，PLC编程，虚拟实验室，工业系统。1. 介绍三个特殊的特征是工程教育创新的核心（Dormido等人，2005; Farias，2010 a）：网络通信、可视化和交互性。后者是视频游戏的本质，这个行业年复一年地不断推出新产品，让我们感到惊讶。图形质量、可玩性和交互性的提高不仅是因为使用了新的平台，而且还因为更好的设计。特别地，现代视频游戏通过使用3D游戏引擎和允许碰撞和其他复杂交互的高精度物理引擎来提供玩家与虚拟世界的良好交互，参见Millington，I.（2007年）。其结果是现实的虚拟世界是非常有吸引力的。在这项工作中，我们建议使用这些相同的技术来开发一个虚拟的工业环境中，学生可以启动和开发自动化控制器。使用逼真的3D模拟对于学术和工业培训课程，甚至对于现实世界应用的开发都具有巨大的潜力。基于这些想法 ， 已 经 有 了 一 个 商 业 解 决 方 案 ， Realgames 的 ITSPLC。该应用程序提供了五种不同工业系统的3D仿真，这些系统可以由外部PLC通过DAQ板进行控制，使其与所有主要PLC品牌兼容，参见图1。ITS PLC的主要缺点是软件是专有的;模拟场景的数量有限，并且需要与PLC进行物理连接，避免了自动化实验室之外的学生使用软件（尽管新版本有望缓解这一限制）。另一方面，自动化评估是一个具有挑战性的领域，学术界已经以多种方式解决了这个问题。可能，多项选择题（MCQ）是最流行的方法，在大多数电子学习平台中实现，但最近的技术，如Goodle GMS，已经打开了一个巨大的可能性，包括模拟和计算学生成绩的复杂计算（Muñoz等人，2009年）。受这些问题的启发，我们开发了一个开源的交互式工业系统3D模拟器，它提供了一个场景生成工具和使用OPC的通信，可能允许与PLC模拟器进行通信，例如施耐德电气，2009年提供的。该应用程序基于游戏引擎和物理引擎，前者提供有吸引力的3D模拟，后者允许不同工业元素之间进行复杂的交互。使用多面体和碰撞系统定义的实体对象进行模拟。该软件已被用于两个不同的自动化课程在2011-2012年的电信和计算机科学工程学位。新软件的主要优点之一是，学生可以在家里使用模拟器，使用免费或试用软件。该工具最近得到了增强，具有自动评估功能2. 软件描述开发的软件由两个不同的元素组成。第一个是一个场景设计应用程序，其中用户（教师）可以使用具有通用元素库的图形界面设计新的工业系统。的© IFAC 321 10.3182/20130828-3-UK-2039.00068第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲322用户可以添加元素并定义它们的位置，方向和定义它的参数。这个元素在视频游戏行业被称为“世界建造者”。世界构建器生成交互式3D模拟器供学生使用。Fig. 1.与DAQ板PLC的物理连接。3D模拟器是第二个元素，设计为高度交互和直观，并允许学生在不同的元素上进行交互，例如生成故障和测试设计的控制器。此外，3D模拟器允许通过OLE过程控制（OPC）标准进行开环和闭环控制。这是一个关键的功能，因为PLC编程平台通常为PLC仿真器提供OPC通信功能，允许在不需要PLC的情况下关闭控制回路。在本文中，我们提出了我们目前正在工作的工业系统的仿真软件的第一个原型。在这个原型中，通信是专门为施耐德电气的Unity Pro XL编程平台设计的，该平台为不同的产品提供了PLC模拟器，包括Modicon M340，这是学生在系统工程和自动化部自动化实验室使用的PLC。为此，我们使用了施耐德的OPC服务器，即OPC FactoryServer（OFS），它能够自动与Unity Pro XL PLC仿真器进行通信。3D仿真器使用C#实现OPC客户端。在下一节中，将讨论模拟软件中最相关的元素。3. 仿真软件的主要元素3.1 游戏引擎为了开发3D虚拟世界，使用了XNA Game Studio 3.1。Microsoft XNA是一组由Microsoft提供的托管运行时环境工具，用于促进视频游戏的开发和管理。XNA基于.NETFramework ， 其 版 本 可 在 Windows 、 Windows Phone 和Xbox上运行。在许多方面，XNA可以被认为是.NET与微软更知名的游戏开发系统DirectX，但它主要针对那些对编写在各种微软平台上运行的轻量级游戏感兴趣的开发人员。XNA是Xbox Live独立游戏的基本平台。XNA Framework基于用 于 Xbox 360 开 发 的 .NET Compact Framework 2.0 和Windows上的.NET Framework 2.0的本机实现。它包括一组广泛的类库，特定于游戏开发，以促进跨目标平台的最大代码重用。该框架运行在一个针对游戏进行了优化的公共语言版本上，以提供托管执行环境。运行时可用于Windows XP、Windows Vista、Windows 7、WindowsPhone和Xbox 360。3.2 物理引擎物理引擎是一种计算机软件工具，其提供某些物理系统的近似模拟，例如在计算机图形、视频游戏和电影领域中使用的刚体动力学（包括碰撞检测）、软体动力学和流体动力学，参见Crowe et.原子（2009）和Kim等人（2002）。它们的主要用途是在视频游戏中（通常作为中间件），在这种情况下，模拟是实时的。该术语有时更广泛地用于描述任何用于模拟物理现象的软件系统，例如高性能科学模拟。在这个应用程序中，我们使用了JigLibX，这是一个使用Microsoft的XNA框架用C#编写的物理引擎。它基于物理引擎JigLib，目前正在移植和扩展。拥有碰撞系统和刚体物理引擎使JigLibX成为专为XNA设计的免费开源物理引擎之一。3.3 碰撞刚体动力学是一种用于游戏中的模拟，以给出对象的“物理”行为的外观，Mirtich（2000），Stewart（2000）。对于要模拟的每个对象，定义了一个或多个实体，每个实体都有一个或多个碰撞基本体。模拟器由一个物理系统实例组成，它将模拟物体的运动和碰撞系统，以便物理模拟器知道如何使物体碰撞生效（因此物体不会穿过墙壁，从地面掉下来等）。碰撞系统使用XNA和JigLib库在C#中编程。定义的对象允许使用刚体模型设计工业元素库。4. 仿真软件在本节中，我们介绍了工业系统的交互式3D模拟器的第一个原型。4.1 场景生成器场景生成器的目标是用户（可能是自动化课程的讲师）可以设计更适合他或她需求的工业工厂本第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲323最后，提供一个常用工业元件库。在第一个原型中，设计了传送带、转盘、起重机、障碍传感器、气动活塞、箱子和坡道。库中的每个元素定义了刚体的多面体表示、3D渲染参数和碰撞基元。图二.传送带。图三. 转盘。见图4。起重机.图五.屏障传感器。新场景的设计可能包括这些元素中的任何一个，定义它们的位置，它们的参数（例如传送带的长度或箱子的大小）。然后，场景生成器编译一个文件，其中包含模拟器创建虚拟工业系统并模拟其行为所需的所有信息。场景生成器正在开发中。见图6。场景生成器用户界面。4.2 仿真原型为了测试该软件，设计了一个三路分拣系统，其中包括一些最常见的行业元素，如传送带，转盘，起重机，障碍传感器，气动活塞，箱子和坡道。图7显示了工厂的布局。该工厂的目标是根据高度对三个不同大小的盒子进行分类。为此，使用一组屏障传感器来识别来自主传送带的箱子。控制目标是用起重机将中等尺寸的箱子移动到二级皮带上，并使用转盘将大箱子和小箱子分拣到两个不同的端部坡道上。这种情况很简单，但允许设计复杂的控制器来优化工厂的吞吐量。特别是，盒子的数量第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲324在一个固定的时间段内处理的是用来给学生的节目评分。见图7。场景生成器用户界面。4.3 与PLC原型软件已被设计为使用OPC通信，以这种方式避免了物理通信的需要。为此，Unity Pro XL已被用作PLC编程平台。Unity Pro提供了一个PLC仿真器，可以通过TCP IP直接与施耐德OPC服务器OFS通信。值得注意的是，施耐德提供了一个免费的OFS试用版，在关闭前运行48小时，足以设计和测试控制器。3D仿真软件与OPC客户端的连接是使用免费的C# OPC客户端库开发的，允许通过一组变量进行双向通信。在未来的工作中，OPC服务器将使用OPC基础库开发，以允许任何PLC与3dD仿真软件进行通信。这将为教师选择PLC编程平台提供更大的灵活性。在这种情况下，学生们安装了施耐德免费提供的4个月大学版Unity Pro XL 6.0试用版。5. 课堂结果该软件已被用于两个不同的自动化课程在2011-2012年的电信和软件工程学位。新软件的主要优点之一是，学生可以在家里使用模拟器，使用免费或试用软件，因此学生除了在自动化实验室进行练习外，还可以将控制问题作为课程项目来解决。为此，提供了安装指南和系统说明文件。该软件通过课程网页提供。目标是在最短的时间内对20个箱子进行分类和路由（取决于它们的测量尺寸）。这些项目由最多三名学生组成的小组提交。学生们有6周的最后期限，但重要的是要注意，一个讲座是用来解释模拟器和控制目标。3D仿真软件的使用受到了学生的好评，他们唯一的抱怨是，课程的所有练习都应该用这类系统来完成，而不仅仅是项目课程（大多数编程练习不包括要控制的真实系统）。主要问题是由于学生使用的不同操作系统的兼容性问题，即Windows XP、Vista和2007 32位和63位。请注意，该软件目前无法在非Windows环境中使用。同样重要的是要注意的是，2007年64位的兼容性补丁是由一组学生自己开发的，这表明一般来说，这类虚拟实验室极大地吸引了学生的注意力。无论如何，原型还不能被视为专业产品，至少从兼容性的角度来看。在课程结束时，对学生进行了一项调查，其中有六个问题，从1（最低）到5（最高）。表1显示了调查结果。表1. 学生调查结果54321M340演习383015773D模拟器演习53151577易用性1515231530工作量23382377支撑材料15383077普遍意见53237015总的来说，该软件的使用提供了良好的效果，参与的教师计划在未来的工业自动化课程中使用它。学生们对3D项目的评价高于在自动化实验室中使用M340开发的练习。即使工作量很大，软件的安装也不容易，但普遍的意见显然是积极的。6. 自动评估功能一个新的能力最近已被添加到所描述的工业模拟器，旨在以激进的方式增加其作为教育平台的优势。最新版本的模拟器有一个内置的服务，旨在将学生的工作报告给一个名为Goodle GMS的自动评估服务器（Muñoz等人，2012年）。Goodle GMS中的自动评估引擎遵循一种基于代码融合架构的新范式，该架构运行在支持Matlab的电子学习平台上。这种架构允许自动评分学生提交的几乎任何学科，学生的进步可以与定量问题进行评估。简单地说，学生通过Web服务器提交一组Matlab代码行，这些代码行稍后在服务器中按顺序执行，其中包含一段代码，该代码检查学生生成的变量以生成分数（见图10）。（八）。虽然看起来这个工具是针对编程课程的（因为源代码是由学生提供的），但这是一个误导性的观察。事实上，源代码是第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲325R1=10.5;C1=3.8;%数字答案%数字答案f1=cos（x1）; %功能答案answer3正式化绝对任何类型的学生提交没有严格的格式，典型的电子学习考试工具，如多项选择题的特点。相反，这里使用源代码来为学生界面增加最大的灵活性。实际上，实现基于Web的通用用户界面的最快方法是提供一个文本字段，学生可以填写数字或文书作业，例如Matlab语言，包含练习的具体答案，如以下示例所示：此外，由于评估过程嵌入在Matlab代码中，它可以包括复杂的操作，如方程求解，仿真等，从而可以进行控制算法的闭环功能测试。6.1 用于工业模拟器的关于Goodle GMS的标准行为的主要区别描述于（Muñoz等人，2012年）在于这样一个事实，即浏览器被淘汰作为学生和Goodle服务器之间的接口。相反，学生将不知道服务器的存在，因为所有的交换都将在工业模拟器和服 务 器 之 间 不 透 明 地 进 行 ， 通 过 一 个 名 为 GoodleConnector的新扩展。Goodle连接器在工业模拟器架构中显示为一组菜单选项。它们被设计用于生成并发送（到Goodle GMS服务器）一份关于学生控件设计应用于模拟工业工厂操作时的性能报告。本质上，该报告包括在固定模拟时间范围内发生的事件列表及其时间戳。实际上，与自动评估最相关的事件是零件或包到达工厂内的最终目的地（到达门）。正确的自动化的特点是一个特定类型的所有数据包到达指定给该类型的目的地，这是很容易评估的模拟报告。另一方面，高效自动化的特征在于以高速率正确地到达分组，这可以通过高级自动化策略（例如操作的高度并行化）来实现。同样，有了零件到达的适当报告，这可以毫无困难地自动评估。为了实现这一点，学生必须遵循Goodle Connector菜单选项的“记录并提交”工作流程，包括以下步骤：本地设计，监督模拟，提交。虽然本地设计是学生在没有自动评估的情况下使用工业模拟器的经典活动，但监督模拟是以监督方式执行与新设计的控制器相关的模拟器。监督模拟在没有用户干预的情况下运行固定的时间范围，这对所有学生都是平等的（学生只能启动它，并可能在纠正后重新启动它）。在监督模拟模式下，虚拟世界中的事件一直被记录下来。一旦监督模拟完成，报告将在模拟器上自动生成并提交给Goodle GMS服务器。要完成此操作，学生选择提交菜单选项，然后弹出用户表单，要求提供以下数据：- 服务器URL。- 学生ID和密码（在Goodle GMS中注册）。- 练习ID（由教师在课堂上提供，用于将提交提交提交到Goodle GMS服务器中的适当任务）。6.2 执行情况报告确认表单值后，连接器将以XML消息的形式将性能报告发送到Goodle GMS服务器，XML消息分为两部分：头（包含登录和练习数据）和名称-值对中的事件描述列表。一旦在服务器上接收到它们，名称-值对将被转换为Matlab赋值，如以下示例所示：XML提交消息摘录：<变量><数据包>[1，2，1，4，2，4，1]<站>[1，2，1，1，2，1，1]<时间>[10.12，16.18，19.03，21.57，25.79，27.19，32.44]服务器端Matlab分配：[1，2，1，4，2，4，1];[1，2，1，1，2，1，1];times =[10.12，16.18，19.03，21.57，25.79];如在示例中可以看到的，提交包含定义到达事件的三个向量，即分组（已经顺序到达站或门的分组类型的列表）、站（指示先前列表的每个分组实际到达的位置）和时间，这是不言自明的。在这种特定情况下，类型1和2的分组被正确地路由到到达门1和2，而类型4的分组被错误地路由到门1，因为它们的目的地应该是门4。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲326图8：Goodle GMS代码融合架构提交的报告（作为Matlab代码）存储在自动评估服务器中。这些评价被编入一个数据库，其中载有每项活动的具体评价前和评价后编码。一旦最终提交日期到期，教师将启动离线评估过程中的所有学生在一个特定的课程，为一个特定的练习。对于每个学生的提交，提交的代码与评估前和评估后的代码合并，如图8所示，以便自动获得分数并将其存储在数据库中。服务器还实现了一个竞争选项，其中每个个体的等级是根据其控制器相对于类的其余部分的相对性能来计算的。可以以多种方式进行比较，但在这种特定情况下，在整个模拟时间帧内正确路由的到达次数是比较的标准。服务器端任务的更多细节可以在Goodle GMS上的以前的文章中阅读，例如（Farias，et al，2012），其中首次提出并测试了XML到Matlab转换架构，尽管是在完全不同的上下文中。2013年，在几门课程中，正在对Goodle Connector架构进行实际测试，测试结果将在其他地方报告。7. 结论我们提出了一种新的工业系统的3D仿真软件，用于可编程逻辑控制器（PLC）的教育练习。该应用程序包括一个物理引擎，它可以使用OPC协议与现实世界的PLC通信，并允许学生实时测试他们的设计。该软件包括一个场景生成器，具有有限的工业元素库。此外，通信仅限于特定的PLC编程平台。最后，该软件最近得到了加强，可以对学生的作业进行自动评估，可以进行标准评分，也可以进行竞争评分。这是通过与Goodle GMS建立连接实现的，Goodle GMS是一个现有的电子学习平台，专门从事工程教育的自动评估。未来的工作包括为场景生成器库开发新元素，为场景生成器开发功能齐全的GUI，开发OPC服务器，允许与任何PLC和新的工业系统进行通信。该软件已成功用于2011-2012年电信和软件工程学位的两个不同的自动化课程，并将在未来的自动化课程中应用。在自动评估方面，仍在进行真实的课堂体验，结果将在其他地方报告。引用Farias，G.（2010a），将交互式人机界面添加到工程软件。 Ph. 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