基于PLC的可视化工业控制器及方法

基于plc的可视化工业控制器及方法
技术领域
1.本发明涉及plc自动化控制技术领域，尤其是涉及基于plc的可视化工业控制器及方法。


背景技术：

2.可编程逻辑控制器（programmable logic controller，简称plc），一种具有微处理器的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。可编程控制器由内部cpu，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合成。
3.广泛应用于工业控制领域。在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。
4.目前，plc的可视化控制一般是指数据可视化，可视化控制与plc相结合后，使得plc的控制更加直观，一般通过设置工业触摸显示屏来同步对接plc的数据输出接口，实现可视化的控制，可以配套的实现触摸式的开关控制，且能同步的显示采集的传感器等数据。
5.然而单纯的数据可视化只能展示被控制场景采集的传感器数值，以及一些控制按键的图形显示，工作人员在通过工业触摸显示屏来进行操作时并不能直观地感受到操作后设备的响应情况，因此单纯的数据可视化并不是真正意义的plc可视化控制，不能满足可视化的需求。


技术实现要素：

6.为了解决上述plc可视化控制的技术问题，本发明提供基于plc的可视化工业控制器及方法。采用如下的技术方案：基于plc的可视化工业控制器，包括plc控制单元、触摸显示单元、三维模拟显示单元和视觉验证单元，所述plc控制单元采集工业控制目标的运行参数，并根据运行参数和运行程序对工业控制目标实现自动化控制，所述触摸显示单元与plc控制单元通信连接，采集plc控制单元运行数据，实现数据可视化显示和模拟按键显示控制，所述三维模拟显示单元与plc控制单元通信连接，基于工业控制目标进行三维建模，并基于三维模型和plc控制单元的运行数据实现三维仿真运动模拟，所述视觉验证单元分别与plc控制单元和三维模拟显示单元通信连接，视觉验证单元拍摄工业控制目标的运动部分实时画面，并基于运动姿态相似度比较算法对画面进行运动特征分析，将分析结果与三维模拟显示单元采集的三维仿真运动模拟动作进行比对，若判断三维仿真运动模拟与实时画面运动分析匹配度低于阈值，则通知plc控制单元执行停机报警操作。
7.通过采用上述技术方案，plc控制单元是对工业控制目标实现自动化控制的核心
部件，在设计程序的控制下，工业控制目标的各个执行器可以按照设定程序进行自动动作，触摸显示单元可以实现实体控制按键的数字化，可以实现参数调整，可以实现简单的控制模拟显示，是基于控制数据的可视化，三维模拟显示单元的设置可以进行三维建模，并基于三维模型和plc控制单元的运行数据实现三维仿真运动模拟，从而实现更加直观的三维仿真可视化，工作人员在通过plc控制单元进行操作时，可以通过三维模拟显示单元显示的画面来直观地感受控制指令带来的工业控制目标动作执行效果，而视觉验证单元设置的目的是对于三维运动仿真画面和真实画面进行验证，避免程序执行过程中出现的错误和误差，避免造成生产事故，原理是基于运动姿态相似度比较算法对画面进行运动特征分析，无论是三维运动仿真画面还是真实拍摄画面，其主要部件的特征一致，需要分析的是其动作姿态是否一致，采用运动姿态相似度比较算法能够对运动姿态进行量化的比较输出，当匹配度小于设定阈值时，认为匹配度较差，因素可能是执行动作滞后严重，或者执行动作错误，此时需要plc控制单元执行停机报警操作，避免过大的执行偏差带来的事故风险。
8.可选的，所述plc控制单元包括传感器模块、检测开关模块、模拟量输入模块、开关量输入模块和plc控制器，所述传感器模块和开关量输入模块分别监测工业控制目标的运行参数，所述传感器模块通过模拟量输入模块与plc控制器通信连接，所述检测开关模块通过开关量输入模块与plc控制器通信连接，所述plc控制器与工业控制目标的控制信号输入端通信连接。
9.可选的，所述触摸显示单元包括串口通信模块和工业触摸显示屏，所述工业触摸显示屏通过串口通信模块与plc控制器通信连接。
10.可选的，三维模拟显示单元包括工业控制计算机、rs232串口通信线和三维仿真显示器，所述工业控制计算机预装具备三维仿真模块的三维结构设计软件、labview软件和plc通信协议，通过rs232串口通信线与plc控制器通信连接，工业控制计算机采用三维结构设计软件根据工业控制目标的基础数据构建三维模型，并基于三维模型进行三维运动仿真装配体构建，根据rs232串口通信线采集的plc控制器控制程序，并基于labview软件将控制程序实时映射到三维运动仿真装配体的控制指令，所述三维仿真显示器设置工业触摸显示屏的正上方，并与工业控制计算机通信连接，用于实现与plc控制同步的三维仿真画面。
11.通过采用上述技术方案，三维模拟显示单元的目的是实现与plc控制单元执行动作同步的三维运动仿真显示，这样就可以实现更加直观的三维仿真可视化，采用的方式是先基于工业控制目标的基础数据构建三维模型，三维结构设计软件可以是具有三维仿真分析功能的设计软件，如solidworks、creoparametric、catia等，设计完三维模型后，需要进行三维运动仿真装配体构建，这样就形成了三维仿真可视化的基础，对于三维运动仿真装配体的驱动指令需要采用labview软件来实现，labview软件可以通过rs232串口通信线实时采集plc控制器控制程序的执行指令，这样就可以实现三维运动仿真装配体与工业控制目标相匹配进行动作仿真，其三维仿真画面被三维仿真显示器同步进行显示，三维仿真显示器设置在工业触摸显示屏的正上方，便于工作人员进行查看，对于一些工业生产线等大型的plc控制场景，这种可视化控制可以使工作人员可以方便地纵览全局。
12.可选的，所述视觉验证单元包括多个视觉摄像机、三维仿真画面通信模块、视觉分析系统、运动匹配度分析芯片和运动分析结果通信模块，多个视觉摄像机分别通过支架安装在工业控制目标的执行动作部位，拍摄执行动作画面，并向拍摄画面传输给视觉分析系
统，所述视觉分析系统通过三维仿真画面通信模块与工业控制计算机控制连接，获取对应时间的三维仿真画面，三维仿真画面分别对执行动作画面和三维仿真画面进行运动特征分析，并将分析后的运动特征结果传输给运动匹配度分析芯片，运动匹配度分析芯片基于运动姿态相似度比较算法计算执行动作画面与三维仿真画面的匹配度，运动匹配度分析芯片通过运动分析结果通信模块将匹配度结果传输给工业控制计算机，并通过三维仿真显示器进行显示。
13.通过采用上述技术方案，视觉验证单元的设置是为了对三维运动仿真画面和真实画面进行验证，原理是基于运动姿态相似度比较算法对画面进行运动特征分析，具体采用多个视觉摄像机来拍摄工业控制目标的执行动作部位画面，例如对于机械手，可以整体拍摄其正面画面，对于气缸可以从缸体侧面拍摄其动作。plc控制单元控制工业控制目标的过程中主要是对这些执行器进行控制，因此想要验证控制是否有误，只需对关键的执行动作部位画面件拍摄即可，获得了拍摄画面后，视觉分析系统在通过工业控制计算机获得三维仿真画面，运动匹配度分析芯片基于运动姿态相似度比较算法计算执行动作画面与三维仿真画面的匹配度，这个匹配度就能量化地对执行结果进行判断，结合阈值比对，就能及时发现执行错误的情况，并进行处置。
14.可选的，plc控制单元还包括报警器，当运动匹配度分析芯片输出的匹配度结果低于阈值，则plc控制器控制报警器开启报警并执行紧急停机程序。
15.基于plc的可视化工业控制方法，具体方法是：步骤1，传感器模块实时采集模拟量数据，检测开关模块12实时采集开关量，并分别通过模拟量输入模块和开关量输入模块与plc控制器通信，plc控制器将模拟量参数和开关量参数输入自动控制程序，实现对工业控制目标自动控制，工业控制目标的各执行器按照控制指令进行动作；步骤2，工业控制计算机采集plc控制器控制程序的执行动作指令，labview软件将执行动作指令实时映射到三维运动仿真装配体的三维仿真动作指令，并通过三维仿真显示器显示三维运动仿真画面；步骤3，设视觉摄像机数量为n，n个视觉摄像机分别拍摄工业控制目标的执行动作部位的执行动作画面，视觉分析系统获取n个执行动作画面，分别记为p1、p2、
……
、pn，视觉分析系统获取工业控制计算机的三维仿真画面记为d，对画面d按照执行动作部位进行分割操作，得到n个三维仿真运动画面，分别记为d1、d2、
……
、dn，运动匹配度分析芯片基于运动姿态相似度比较算法遍历d1和p1、d2和p2、
……
、dn和pn，得到匹配度m1、m2、
……
、mn；步骤4，设定匹配度阈值x，当判定m1、m2、
……
、mn存在小于x的匹配度值时，plc控制器控制报警器开启报警并执行紧急停机程序。
16.可选的，步骤3中的运动姿态相似度比较算法具体是：将待比较的画面帧分别基于特征进行基于运动部位进行关键部位划分，划分出的关键部位分别记为a1、a2、
……
、an，建立姿态比较器，在运动持续的多帧画面分别对关键部位进行匹配度输出，并最终输出整体匹配度值。
17.可选的，整体匹配度值范围为0-1，数字越大匹配度越大，匹配度阈值x为0.8。
18.综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：本发明能提供基于plc的可视化工业控制器及方法，在plc的数据可视化控制进一
步升级到了基于三维仿真的可视化，工作人员在通过plc控制单元进行操作时，可以通过三维模拟显示单元显示的画面来直观地感受控制指令带来的工业控制目标动作执行效果，而视觉验证单元基于运动姿态相似度比较算法对三维运动仿真画面和真实画面进行验证，避免程序执行过程中出现的错误和误差带来的事故风险。
附图说明
19.图1是本发明基于plc的可视化工业控制器各部件通信连接示意图；图2是本发明具体实施例的布置示意图。
20.附图标记说明：1、plc控制单元；11、传感器模块；12、检测开关模块；13、模拟量输入模块；14、开关量输入模块；15、plc控制器；16、报警器；2、触摸显示单元；21、串口通信模块；22、工业触摸显示屏；3、三维模拟显示单元；31、工业控制计算机；32、rs232串口通信线；33、三维仿真显示器；4、视觉验证单元；41、视觉摄像机；42、三维仿真画面通信模块；43、视觉分析系统；44、运动匹配度分析芯片；45、运动分析结果通信模块；100、工业控制目标。
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
22.本发明实施例公开基于plc的可视化工业控制器及方法。
23.参照图1和图2，基于plc的可视化工业控制器，包括plc控制单元1、触摸显示单元2、三维模拟显示单元3和视觉验证单元4，plc控制单元1采集工业控制目标100的运行参数，并根据运行参数和运行程序对工业控制目标100实现自动化控制，触摸显示单元2与plc控制单元1通信连接，采集plc控制单元1运行数据，实现数据可视化显示和模拟按键显示控制，三维模拟显示单元3与plc控制单元1通信连接，基于工业控制目标100进行三维建模，并基于三维模型和plc控制单元1的运行数据实现三维仿真运动模拟，视觉验证单元4分别与plc控制单元1和三维模拟显示单元3通信连接，视觉验证单元4拍摄工业控制目标100的运动部分实时画面，并基于运动姿态相似度比较算法对画面进行运动特征分析，将分析结果与三维模拟显示单元3采集的三维仿真运动模拟动作进行比对，若判断三维仿真运动模拟与实时画面运动分析匹配度低于阈值，则通知plc控制单元1执行停机报警操作。
24.plc控制单元1是对工业控制目标100实现自动化控制的核心部件，在设计程序的控制下，工业控制目标100的各个执行器可以按照设定程序进行自动动作，触摸显示单元2可以实现实体控制按键的数字化，可以实现参数调整，可以实现简单的控制模拟显示，是基于控制数据的可视化，三维模拟显示单元3的设置可以进行三维建模，并基于三维模型和plc控制单元1的运行数据实现三维仿真运动模拟，从而实现更加直观的三维仿真可视化，工作人员在通过plc控制单元1进行操作时，可以通过三维模拟显示单元3显示的画面来直观地感受控制指令带来的工业控制目标100动作执行效果，而视觉验证单元4设置的目的是对于三维运动仿真画面和真实画面进行验证，避免程序执行过程中出现的错误和误差，避免造成生产事故，原理是基于运动姿态相似度比较算法对画面进行运动特征分析，无论是三维运动仿真画面还是真实拍摄画面，其主要部件的特征一致，需要分析的是其动作姿态是否一致，采用运动姿态相似度比较算法能够对运动姿态进行量化的比较输出，当匹配度小于设定阈值时，认为匹配度较差，因素可能是执行动作滞后严重，或者执行动作错误，此
时需要plc控制单元1执行停机报警操作，避免过大的执行偏差带来的事故风险。
25.plc控制单元1包括传感器模块11、检测开关模块12、模拟量输入模块13、开关量输入模块14和plc控制器15，传感器模块11和开关量输入模块14分别监测工业控制目标100的运行参数，传感器模块11通过模拟量输入模块13与plc控制器15通信连接，检测开关模块12通过开关量输入模块14与plc控制器15通信连接，plc控制器15与工业控制目标100的控制信号输入端通信连接。
26.触摸显示单元2包括串口通信模块21和工业触摸显示屏22，工业触摸显示屏22通过串口通信模块21与plc控制器15通信连接。
27.三维模拟显示单元3包括工业控制计算机31、rs232串口通信线32和三维仿真显示器33，工业控制计算机31预装具备三维仿真模块的三维结构设计软件、labview软件和plc通信协议，通过rs232串口通信线32与plc控制器15通信连接，工业控制计算机31采用三维结构设计软件根据工业控制目标100的基础数据构建三维模型，并基于三维模型进行三维运动仿真装配体构建，根据rs232串口通信线32采集的plc控制器15控制程序，并基于labview软件将控制程序实时映射到三维运动仿真装配体的控制指令，三维仿真显示器33设置工业触摸显示屏22的正上方，并与工业控制计算机31通信连接，用于实现与plc控制同步的三维仿真画面。
28.三维模拟显示单元3的目的是实现与plc控制单元1执行动作同步的三维运动仿真显示，这样就可以实现更加直观的三维仿真可视化，采用的方式是先基于工业控制目标100的基础数据构建三维模型，三维结构设计软件可以是具有三维仿真分析功能的设计软件，如solidworks、creoparametric、catia等，设计完三维模型后，需要进行三维运动仿真装配体构建，这样就形成了三维仿真可视化的基础，对于三维运动仿真装配体的驱动指令需要采用labview软件来实现，labview软件可以通过rs232串口通信线32实时采集plc控制器15控制程序的执行指令，这样就可以实现三维运动仿真装配体与工业控制目标100相匹配进行动作仿真，其三维仿真画面被三维仿真显示器33同步进行显示，三维仿真显示器33设置在工业触摸显示屏22的正上方，便于工作人员进行查看，对于一些工业生产线等大型的plc控制场景，这种可视化控制可以使工作人员可以方便地纵览全局。
29.视觉验证单元4包括多个视觉摄像机41、三维仿真画面通信模块42、视觉分析系统43、运动匹配度分析芯片44和运动分析结果通信模块45，多个视觉摄像机41分别通过支架安装在工业控制目标100的执行动作部位，拍摄执行动作画面，并向拍摄画面传输给视觉分析系统43，视觉分析系统43通过三维仿真画面通信模块42与工业控制计算机31控制连接，获取对应时间的三维仿真画面，三维仿真画面分别对执行动作画面和三维仿真画面进行运动特征分析，并将分析后的运动特征结果传输给运动匹配度分析芯片44，运动匹配度分析芯片44基于运动姿态相似度比较算法计算执行动作画面与三维仿真画面的匹配度，运动匹配度分析芯片44通过运动分析结果通信模块45将匹配度结果传输给工业控制计算机31，并通过三维仿真显示器33进行显示。
30.视觉验证单元4的设置是为了对三维运动仿真画面和真实画面进行验证，原理是基于运动姿态相似度比较算法对画面进行运动特征分析，具体采用多个视觉摄像机41来拍摄工业控制目标100的执行动作部位画面，例如对于机械手，可以整体拍摄其正面画面，对于气缸可以从缸体侧面拍摄其动作。plc控制单元1控制工业控制目标100的过程中主要是
对这些执行器进行控制，因此想要验证控制是否有误，只需对关键的执行动作部位画面件拍摄即可，获得了拍摄画面后，视觉分析系统43在通过工业控制计算机31获得三维仿真画面，运动匹配度分析芯片44基于运动姿态相似度比较算法计算执行动作画面与三维仿真画面的匹配度，这个匹配度就能量化地对执行结果进行判断，结合阈值比对，就能及时发现执行错误的情况，并进行处置。
31.plc控制单元1还包括报警器16，当运动匹配度分析芯片44输出的匹配度结果低于阈值，则plc控制器15控制报警器16开启报警并执行紧急停机程序。
32.基于plc的可视化工业控制方法，具体方法是：步骤1，传感器模块11实时采集模拟量数据，检测开关模块12实时采集开关量，并分别通过模拟量输入模块13和开关量输入模块14与plc控制器15通信，plc控制器15将模拟量参数和开关量参数输入自动控制程序，实现对工业控制目标100自动控制，工业控制目标100的各执行器按照控制指令进行动作；步骤2，工业控制计算机31采集plc控制器15控制程序的执行动作指令，labview软件将执行动作指令实时映射到三维运动仿真装配体的三维仿真动作指令，并通过三维仿真显示器33显示三维运动仿真画面；步骤3，设视觉摄像机41数量为n，n个视觉摄像机41分别拍摄工业控制目标100的执行动作部位的执行动作画面，视觉分析系统43获取n个执行动作画面，分别记为p1、p2、
……
、pn，视觉分析系统43获取工业控制计算机31的三维仿真画面记为d，对画面d按照执行动作部位进行分割操作，得到n个三维仿真运动画面，分别记为d1、d2、
……
、dn，运动匹配度分析芯片44基于运动姿态相似度比较算法遍历d1和p1、d2和p2、
……
、dn和pn，得到匹配度m1、m2、
……
、mn；步骤4，设定匹配度阈值x，当判定m1、m2、
……
、mn存在小于x的匹配度值时，plc控制器15控制报警器16开启报警并执行紧急停机程序。
33.步骤3中的运动姿态相似度比较算法具体是：将待比较的画面帧分别基于特征进行基于运动部位进行关键部位划分，划分出的关键部位分别记为a1、a2、
……
、an，建立姿态比较器，在运动持续的多帧画面分别对关键部位进行匹配度输出，并最终输出整体匹配度值。
34.整体匹配度值范围为0-1，数字越大匹配度越大，匹配度阈值x为0.8。
35.本发明实施例基于plc的可视化工业控制器及方法的实施原理为：在具体的包装生产线的plc可视化工业控制场景下，传感器模块11实时采集模拟量数据，检测开关模块12实时采集开关量，并分别通过模拟量输入模块13和开关量输入模块14与plc控制器15通信，plc控制器15将模拟量参数和开关量参数输入自动控制程序，实现对包装生产线各执行器的自动控制，包括气缸等，包装生产线的各执行器按照控制指令进行动作；工业控制计算机31采集plc控制器15控制程序的执行动作指令，labview软件将执行动作指令实时映射到三维运动仿真装配体的三维仿真动作指令，并通过三维仿真显示器33显示三维运动仿真画面；设视觉摄像机41数量为n，n个视觉摄像机41分别拍摄工业控制目标100的执行动作部位的执行动作画面，视觉分析系统43获取n个执行动作画面，分别记为p1、p2、
……
、pn，
视觉分析系统43获取工业控制计算机31的三维仿真画面记为d，对画面d按照执行动作部位进行分割操作，得到n个三维仿真运动画面，分别记为d1、d2、
……
、dn，运动匹配度分析芯片44基于运动姿态相似度比较算法遍历d1和p1、d2和p2、
……
、dn和pn，得到匹配度m1、m2、
……
、mn；设定匹配度阈值x=0.8，当某时刻m1、m2、
……
、mn存在小于x的匹配度值时，plc控制器15控制报警器16开启报警并执行紧急停机程序。
36.以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。