一种基于混合通信模式的三维虚拟测控方法

摘要

本发明公开了一种基于混合通信模式的三维虚拟测控方法，它涉及机电控制系统技术领域。移动终端结合三维场景中控制目标发送下行控制命令并通过通信系统与安装在被监测和控制的机电生产装备上的控制节点连接，多个控制节点组成一组控制节点阵列；机电设备上还安装有传感器节点，多个传感器节点组成一组传感器阵列，传感器阵列通过混合通信系统将上行传感器数据发送给移动终端，实时更新机电设备三维模型的状态，并通过仪器显示状态数据。本发明能让用户通过操作移动终端上的三维模型监测和控制生存现场的机电装备，同时三维模型能够实时反映工件的加工状态，便于更好的观察和控制生产过程，提高了生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及的是机电控制系统技术领域，具体涉及一种基于无线网络和现场总线网络一体化混合通信的三维虚拟控制方法。。

背景技术

现代大规模生产系统中，机电装备在运行过程中的随动操作与控制通常需要众人协作来完成，通过操作人员与装备执行机构运行目标位置观测人员的相互合作，实现大型机电装备在生产过程中安全、稳定地运行，其特点是劳动强度大，生产成本高，而且人为因素造成生产效率低、安全系数小。

在大型零部件的生产加工过程中，需要对工件的加工工艺过程实时跟踪监测和检测，鉴于零件所占空间较大，工作人员在操作生产装备对零件加工时无法实时检查工件的加工全貌，更不便检测零件加工精度，因此需要在操作生产装备的同时，间歇对加工目标进行巡检，费时又费力，严重影响生产效率，工作效率比较低。针对这些问题，需要一种能够对大型零部件加工过程进行操控和检测同步的控制方法，用以提高生产效率，加快加工进度。

对大型机电装备的远程操作与控制方法很多，常见的方法是将控制模块集中布置，通过控制继电模块完成各控制点执行机构的动作或直接通过开关控制执行机构；装备的操作需要一个或几个工作人员，同时分布在工作空间内执行机构的工作情况需要多个工人实时观察并告知操作人员。近来，为了提高操作效果，摄像头被用于大型机电装备的操作与控制系统中，在大型机电装备各执行机构分布点上安装摄像头，可同步观察，但无法实时检测控制效果，且由于摄像头角度问题，给观察带来诸多不便；目前也有使用移动终端控制大型机电装备的案例，但是移动端功能比较简单，仅仅是将电脑端的操控方式移植到了移动设备上，功能仅仅是控制设备，并不能显示设备和工件的实时信息。另外，具有移动端控制系统的机电设备，其移动端控制系统不具有三维动态显示功能，不能在移动控制端观察到工件的实时加工信息。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提供一种基于混合通信模式的三维虚拟测控方法，结构设计合理，解决了大型机电装备运行过程中操作与控制工作量大、工作人员需求多、无法实时反映机电装备运行参数及生产产品参数等问题，通过可动态刷新的三维虚拟模型与现场大型机电装备和生产过程实时联动和进行同步检测，大大提高控制和生产效率，降低了劳动量。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于混合通信模式的三维虚拟测控方法，包括微软移动操作系统的移动终端设备、现场大规模机电生产系统三维虚拟模型、运行于移动终端设备的网络化测控系统、针对动态三维模型和测控虚拟仪器的移动终端数据管理器、用于实现网络数据和移动终端数据缓冲区进行数据交换的数据耦合器、用于实现无线网络与现场总线网络耦合的网络转换模块组、用于信息和数据交换及控制指令发送的网络协议集，移动终端设备包括三维虚拟测控系统和混合通信网络管理模块，移动终端发送下行数据并通过网络转换模块组中的各模块通过现场总线与安装在需要检测和控制的大规模机电生产系统中的检测和控制节点连接，多个控制节点组成一组控制节点阵列，机电设备上安装的多个传感器节点组成一组传感器阵列，传感器阵列通过网络转换模块将检测数据发送给移动终端设备。

作为优选，所述的三维虚拟模型通过测量和查询获得现场设备的结构参数，在三维建模软件中建立，包括大型机电装备的运行动画和生产过程工件工艺过程动画，另外获取工件的未加工前和加工目标尺寸参数，同时制作工件在加工过程中的加工动画，针对某些关键加工细节建立专门的细节模型和工作动画，以上动画随生产现场参数的变化而变化。

作为优选，所述的三维虚拟测控系统包括测控系统前台界面和测控系统后台模块两部分，测控系统前台界面为用户操作界面，用户操作界面嵌入有生产装备和工件的三维模型，测控系统前台界面设置有必要的按钮菜单等基本用户接口元素，并结合现有的虚拟仪器技术，用户操作界面包含了如数值曲线、数字仪表、指示灯等虚拟仪器控件，当用户需要时为用户显示设备的运行数据和工件的精确加工数据；测控系统后台模块包括数据缓冲区通道配置模块、数据处理模块、三维模型驱动模块、虚拟仪器数据通道配置模块和操作响应模块，测控系统前台界面通过交互接口函数与测控系统后台模块完成信息和数据的交换。

作为优选，所述三维虚拟测控系统平台和生产装备上的测控节点进行的数据交换需要遵从一定的信息和数据交换协议，所述信息和数据交换协议用于数据分配和传输，在需要监测和控制的大型机电装备上根据需要配置有传感器节点组和控制节点组，信息和数据交换协议将众多的传感器节点和控制节点定义为一组传感器阵列和控制节点阵列，每个阵列节点都与现场总线数据通道相连接，来自每个阵列节点的上行数据按照信息和数据交换协议进行打包，通过无线网络和现场总线网络转换器，发送给移动终端三维虚拟测控系统；下行数据控制协议定义了移动终端测控系统发送的数据通过网络转换器组后，分发给对应的测控节点，从而控制传感器节点阵列和控制节点阵列完成预定的测控任务。

本发明的有益效果：1、本方法基于无线网络和现场总线网络，将控制系统操作和检测终端安装在移动设备上，操作员可以方便地手持移动设备在操作大型机电装备时近距离观察执行机构空间位置或被加工工件周围加工情况，解决了工作人员劳动强度大、劳动人员过多的问题，降低了生产成本；

2、在移动设备上实现机电装备或生产系统在线测量并通过三维虚拟场景动态刷新，比现有的移动设备控制机械的表现方式更加直观，并且在移动设备上也能实时反映机电装备运行机构的空间位置信息以及加工工件的加工状态，通过三维模型和虚拟仪器单元同步反映出来，可更安全、可靠地操作和控制大型机电装备，提高了生产效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的总体系统框图；

图2为本发明移动端三维数据驱动工作原理图；

图3为本发明基于混合通信模式的三维虚拟控制的总体数据交换示意图；

图4为本发明模型映射关系与测控信息及数据流图；

图5为本发明的运行流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-5，具体实施方式采用以下技术方案：一种基于混合通信模式的三维虚拟测控方法，包括移动终端设备、现场大规模机电生产系统三维虚拟模型、运行于移动终端的网络化测控系统、针对动态三维模型和测控虚拟仪器的移动终端数据管理器、用于实现网络数据和移动终端数据缓冲区进行数据交换的数据耦合器、用于实现无线网络与现场总线网络耦合的网络转换模块组、用于信息和数据交换及控制指令发送的网络协议集。移动终端设备包括三维虚拟测控系统和混合通信网络管理模块，移动终端发送下行数据并通过网络转换模块组中的各模块通过现场总线与安装在需要检测和控制的大规模机电生产系统中的检测和控制节点连接，多个控制节点组成一组控制节点阵列，机电设备上安装的多个传感器节点组成一组传感器阵列，传感器阵列通过网络转换模块将检测数据发送给移动终端设备。

本具体实施方式开发的系统基于嵌入式移动终端操作系统平台，可运行于安装了相应操作系统的移动设备上，移动设备可采用平板电脑；当大型机电生产系统运行时，位于移动终端上的系统控制模块需要与生产系统中机电设备上的下位机控制单元实时进行指令发送和运行状态监测等数据和信息交换，并存在多路数据，因此需要开辟多个虚拟数据管道，便于数据的传输和分析；移动终端设备能与设备上安装的下位机测控单元进行数据交互，其中网络转换器组是重要的数据传输中继站，当系统启动时，移动终端设备会根据预先的设置通过无线网络自动连接到生产现场配置的网络转换器组，生产现场的测控节点的检测数据通过所连接的现场总线网络发送至所在的无线与现场总线网络转换器，然后通过无线网络发送至移动终端，通过移动终端设备对虚拟场景中现场设备的映像三维模型发送控制和检测指令，指令通过网络转换平台中相应的网络转换器发送给配置在机电生产系统中传感器节点和控制节点。

值得注意的是，所述的三维虚拟模型通过测量和查询获得现场大型机电装备的尺寸参数，在三维建模软件中建模，包括大型机电装备的运行动画和生产过程工件工艺过程动画，另外获取工件的未加工前和加工目标尺寸参数，同时制作工件在加工过程中的加工动画，针对某些关键加工细节建立专门的细节模型和工作动画，以上动画随生产现场参数的变化而变化。

所述的三维虚拟测控系统包括测控系统前台界面和测控系统后台模块两部分，测控系统前台界面为用户操作界面，用户操作界面嵌入有生产装备和工件的三维模型，测控系统前台界面设置有必要的按钮菜单等基本用户接口元素，并结合现有的虚拟仪器技术，用户操作界面包含了如数值曲线、数字仪表、指示灯等虚拟仪器控件，当用户需要时为用户显示设备的运行数据和工件的精确加工数据；测控系统后台模块包括数据缓冲区通道配置模块、数据处理模块(用于解析、打包、处理数据)、三维模型驱动模块、虚拟仪器数据通道配置模块和操作响应模块，测控系统前台界面通过交互接口函数与测控系统后台模块完成信息和数据的交换。

三维虚拟测控系统平台和生产装备上的测控节点进行的数据交换需要遵从一定的信息和数据交换协议，协议中规定了上行和下行数据中每个数据所代表的含义，当移动设备上的测控系统接收到一个数据时，会依据协议查询数据包中此数据所代表信息；当测控节点接受到一个数据时，会根据协议对解析出需要执行的测控指令。

所述的信息和数据交换协议用于数据分配和传输，在需要监测和控制的大型机电装备上根据需要配置有传感器节点组和控制节点组，而单一的数据传输无法满足要求。协议规定了将众多的传感器节点和控制节点定义为一组传感器阵列和控制节点阵列，每个阵列节点都与现场总线数据通道相连接，来自每个阵列节点的上行数据按照信息和数据交换协议进行打包，通过无线网络和现场总线网络转换器，发送给移动终端三维虚拟测控系统；下行数据控制协议定义了移动终端测控系统发送的数据通过网络转换器组后，分发给对应的测控节点，从而控制传感器节点阵列和控制节点阵列完成预定的测控任务。

本具体实施方式将传统的系统控制面板和生产装备机电测控系统分离，操作人员手持移动终端操作设备，同时在移动终端设备上实现设备运行的三维虚拟场景，操作人员可随时观察大型机电装备的运行状态和工件的加工状态，操作灵活，提高工作效率。三维虚拟测控过程的具体步骤如下：首先建立了设备和被加工工件的三维模型，包括动态模型和静态模型，然后将模型嵌入到测控系统中，就构成了三维测控系统，这个三维测控系统是运行在平板电脑上，在生产系统中安装有微型控制器，传感器节点(温度、压力、流量、振动、转速等)和控制节点(电磁阀，开关等)连接在控制器上，控制器连接在现场总线上，现场总线和无线网络通过网络转换器耦合在一起，通过无线网络与移动终端进行通信，多个网络转换器构成网络转换器组，即网络转换平台。用户操作平板电脑上的三维虚拟测控系统中的设备映像模型完成对生产系统及生产过程的实时测控。

基于此方法开发的系统整体的工作方式如下：在整个系统启动后，位于移动终端设备(平板电脑等)上的三维虚拟测控系统会首先检测网络转换器平台上各转换器对应无线服务的连通性，当机电设备运行时，位于机电设备上的传感器将检测到的数据由现场总线传递给网络转换器，然后以无线的方式发送给移动终端设备，驱动平板电脑上的三维动态模型与现场设备实时同步，当用户通过移动终端设备的测控系统操作机电设备时，移动终端设备由数据管理器向网络转换平台发送操作指令和数据，然后由网络转换平台上相应的网络转换器通过现场总线向节点所在微型控制器发送控制信号，完成对机电设备上相应执行单元的驱动。

本具体实施方式解决了大型机电生产系统中传统测控操作面板相对固定，设备运行空间对人员需求量大、要求高的问题，操作员可以方便的手持移动终端设备在生产系统中移动观察生产情况，其次将设备和工件的三维模型嵌入到在移动终端设备上运行三维测控系统中，其中三维动态模型实时反映了产品的生产状态，并且操作人员可与三维模型进行交互，便于更好的观察和控制设备，具有广阔的市场应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。