基于Unity3D的PLC实验教学系统仿真关键技术研究

摘要

可编程逻辑控制器（PLC）是一门理论与实践相结合的课程，实验教学在整个教学环节中具有举足轻重的作用，但目前PLC实验教学模式单一，组态界面单调，设备损耗较大。
　　针对PLC实验教学的不足，本文提出将虚拟现实技术和交互仿真技术应用到PLC实验教学系统仿真的研发。主要研究成果如下：
　　（1）PLC控制仿真实验系统设计方案的提出。以提高PLC实验教学质量为目的，阐述现有PLC实验教学模式的特点，总结国内外虚拟仿真技术在PLC教学中的研究现状，提出PLC实验教学系统仿真的总体设计方案。
　　（2）PLC实验的三维设备库的建立。采用三维建模技术制作PLC各实验模块涉及到的设备，如电梯、阀门、传感器等三维模型，并搭建了虚拟场景；分析了纹理映射技术中平面映射、柱面映射、球面映射不同的映射方法，为虚拟场景中的对象使用不同的映射方式，使最终生成的虚拟场景更加真实性并富于沉浸感，满足系统设计要求。
　　（3）PLC功能模块建立。首先利用数据库技术开发了视频模块和考试模块，便于学生实验前预习和实验后考核；然后开发了电梯、喷泉、交通灯、配料、恒压供水五个典型实验交互模块，通过研究三维设备在三维上位机中的模型层次结构、场景模型解析、运动相机的控制与实时渲染等技术，在Unity3D三维引擎中用C＃语言进行脚本的编写，解决了设备三维模型的运动驱动，实现交互仿真。
　　（4）通信模块设计。首先对实物PLC控制面板进行描述，探索3D上位机界面与外部PLC控制面板相结合的模式，通过分析软硬件的通讯协议，研究数据处理方法，从而解决软硬件交互通信问题；该模块的功能是对PLC开关量/模拟量信号进行调理，最终实现外部控制面板对虚拟实验的控制。
　　PLC实验教学系统仿真为学生提供了直观、经济、高效的学习环境，作为演示性实验能够真实的表现被控对象的控制效果。同时实验交互模块又可方便增加实验内容，提高学生认知，增加PLC教学选择性。因此可以在开设PLC课程的各高校中推广。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2虚拟仿真教学系统研究现状

1.3虚拟现实技术在PLC控制系统仿真中的研究现状

1.4论文的创新点

1.5 论文的研究内容及组织结构

1.6 本章总结

2系统关键技术分析

2.1 3ds max建模技术

2.2 纹理映射技术

2.3 虚拟现实引擎技术简介

2.4数据库技术

2.5通信技术

2.6 本章总结

3 PLC实验教学系统仿真需求分析及架构设计

3.1 系统需求分析

3.2 系统设计目标

3.3 控制系统仿真软件整体架构设计

3.4 本章总结

4 PLC实验教学系统仿真软件上位机开发

4.1 系统场景合成与分块调度

4.2 Unity3D通信驱动程序实现

4.3 Unity3D模型导入

4.4 系统界面设计

4.5 PLC实验功能模块设计与实现

4.6 视频教学功能开发

4.7 考试系统开发

4.8 本章总结

5 PLC实验教学系统仿真软件通信模块开发

5.1 通信模块框架

5.2 实物控制面板部分

5.3 电平转换电路设计

5.4 信号调理电路设计

5.5 通信模块程序设计

5.6 本章总结

6 PLC仿真系统测试

6.1系统整体展示

6.2 PLC仿真实验软件交互性测试

6.3 本章总结

7 总结与展望

7.1 本文研究工作总结

7.2 发展展望

参考文献

作者简历

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