业务背景
一、业务背景
工业过程控制（液位、流量、压力调控）是制造业自动化的核心技术，西门子等企业的控制系统因稳定性与专业性成为行业标准。但传统实训存在显著瓶颈：实体设备投资高昂（单套系统超 30 万元）、高危工况（高压、高温）难以模拟、算法调试周期长且成本高，导致学员实战经验匮乏。
为此，基于 Unity 开发的《工业过程控制虚拟仿真平台》应运而生，以西门子 S7 系列 PLC 及 WinCC 系统为原型，覆盖液位、流量、压力三大核心控制场景，支持 PC 端与 VR 一体机端双端运行。平台通过数字化手段还原工业级控制逻辑，解决传统实训中设备资源有限、安全风险高、技能转化难等问题，为高校自动化专业与企业技术人员提供 “低成本、高安全、可复现” 的沉浸式实训解决方案。
工业过程控制（液位、流量、压力调控）是制造业自动化的核心技术，西门子等企业的控制系统因稳定性与专业性成为行业标准。但传统实训存在显著瓶颈：实体设备投资高昂（单套系统超 30 万元）、高危工况（高压、高温）难以模拟、算法调试周期长且成本高，导致学员实战经验匮乏。
为此，基于 Unity 开发的《工业过程控制虚拟仿真平台》应运而生，以西门子 S7 系列 PLC 及 WinCC 系统为原型，覆盖液位、流量、压力三大核心控制场景，支持 PC 端与 VR 一体机端双端运行。平台通过数字化手段还原工业级控制逻辑，解决传统实训中设备资源有限、安全风险高、技能转化难等问题，为高校自动化专业与企业技术人员提供 “低成本、高安全、可复现” 的沉浸式实训解决方案。
功能介绍
平台为液位、流量、压力三大系统均设计认知、训练、测试三大实操模式及独立答题模式，双端功能各有侧重：
核心功能模块
认知模式：3D 交互式拆解设备结构（如离心泵内部叶轮、压力变送器传感器），动画演示控制原理（如 PID 调节闭环逻辑），VR 端支持 1:1 场景漫游与设备拆解。
训练模式：分级任务训练（新手 / 进阶 / 专家），PC 端支持 0.01 级精度参数调试（如 Kp/Ti/Td）与算法编写（兼容西门子 ST 语言），VR 端通过手柄实现阀门旋转、泵体启停等自然交互。
测试模式：随机生成复合工况（如 “液位扰动 + 传感器故障”），限时完成参数整定与故障排除，系统自动从控制精度、响应速度等维度评分。
答题模式：围绕控制原理、算法逻辑设计题库（如 “积分饱和的解决方法”），PC 端支持公式输入，VR 端支持语音作答。
双端特色
PC 端：强化数据可视化（实时曲线、PLC 程序编辑区）与批量教学管理，适合复杂算法调试；
VR 端：1:1 还原工业场景，通过手柄手势与震感反馈模拟设备操作，增强空间认知与应急处置体验。
核心功能模块
认知模式：3D 交互式拆解设备结构（如离心泵内部叶轮、压力变送器传感器），动画演示控制原理（如 PID 调节闭环逻辑），VR 端支持 1:1 场景漫游与设备拆解。
训练模式：分级任务训练（新手 / 进阶 / 专家），PC 端支持 0.01 级精度参数调试（如 Kp/Ti/Td）与算法编写（兼容西门子 ST 语言），VR 端通过手柄实现阀门旋转、泵体启停等自然交互。
测试模式：随机生成复合工况（如 “液位扰动 + 传感器故障”），限时完成参数整定与故障排除，系统自动从控制精度、响应速度等维度评分。
答题模式：围绕控制原理、算法逻辑设计题库（如 “积分饱和的解决方法”），PC 端支持公式输入，VR 端支持语音作答。
双端特色
PC 端：强化数据可视化（实时曲线、PLC 程序编辑区）与批量教学管理，适合复杂算法调试；
VR 端：1:1 还原工业场景，通过手柄手势与震感反馈模拟设备操作，增强空间认知与应急处置体验。
项目实现
技术架构：基于 Unity 2023 开发，前端用 C# 编写核心逻辑，结合 PhysX 物理引擎仿真流体运动、压力传导（误差≤3%）；后端采用 C++ 封装 20 + 种工业算法（如西门子 FB41 PID 功能块），通过 TCP/IP 实现双端数据同步。
双端适配：PC 端优化高分辨率渲染与多窗口并行操作，兼容工业操作面板外设；VR 端采用 LOD 技术与轻量化材质，确保 90fps 稳定帧率，通过手势识别与空间定位实现自然交互。
核心亮点：
西门子协议兼容，支持导入真实 PLC 程序（ST/LD 格式），实现虚拟场景与实际控制逻辑联动；
双端数据互通，PC 端算法方案可在 VR 端验证效果，形成 “设计 - 验证” 闭环；
故障模拟系统可复现 20 + 种工业常见故障（如管道泄漏、传感器漂移），配合多模态反馈（视觉 / 音效 / 触感）提升训练真实性。
双端适配：PC 端优化高分辨率渲染与多窗口并行操作，兼容工业操作面板外设；VR 端采用 LOD 技术与轻量化材质，确保 90fps 稳定帧率，通过手势识别与空间定位实现自然交互。
核心亮点：
西门子协议兼容，支持导入真实 PLC 程序（ST/LD 格式），实现虚拟场景与实际控制逻辑联动；
双端数据互通，PC 端算法方案可在 VR 端验证效果，形成 “设计 - 验证” 闭环；
故障模拟系统可复现 20 + 种工业常见故障（如管道泄漏、传感器漂移），配合多模态反馈（视觉 / 音效 / 触感）提升训练真实性。
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抗干扰与滤波：采用 “硬件 RC 滤波 + 软件卡尔曼滤波算法”，过滤车间电磁干扰（如变频器、其他电机的电磁辐射），确保数据波动幅度≤0.3%（传统方案波动达 5% 以上），解决纺织、锂电池行业 “参数不准导致成品报废” 的痛点。
采样频率可调：默认采样频率 100Hz（每 10ms 采集 1 次），支持根据场景自定义（如薄膜卷绕需高频采集，设为 200Hz；普通纱线卷绕设为 50Hz），兼顾实时性与控制器资源消耗。
2. 电机实时控制与故障保护模块
闭环控制功能：基于采集的参数实现 PID 闭环调节，例如：
转速闭环：当卷绕材料厚度变化（如纱线卷径增大）导致转速偏移时，100ms 内自动修正电机输出，维持转速稳定（偏差≤±0.2r/min），避免纺织纱线松紧不均；
扭矩闭环：锂电池极片卷绕时，根据极片张力需求动态调整扭矩（如卷绕初期扭矩 0.5N・m，后期随卷径增大增至 2N・m），防止极片褶皱或撕裂。
3、功能联动逻辑（嵌入式与 GUI 协同）
嵌入式软件与电脑 GUI 通过 “实时数据传输 + 指令交互” 实现协同：
数据流向：嵌入式软件采集电机参数→加密传输至 GUI→GUI 解析后可视化展示；
指令流向：GUI 下发参数配置 / 校准指令→嵌入式软件接收并执行→执行结果反馈至 GUI（如 “参数修改成功”）；
故障联动：嵌入式软件触发故障→上传报警信号至 GUI→GUI 触发提醒 + 记录日志→运维人员通过 GUI 下达 “故障复位” 指令→嵌入式软件执行复位并反馈状态。
整体功能设计以 “解决行业痛点” 为核心，例如：通过 “高精度采集 + 闭环控制” 解决成品质量问题，通过 “预测性报警 + 远程配置” 提升运维效率，通过 “数据追溯 + MES 对接” 满足智能制造需求，最终实现卷绕机电机管理的 “高精度、高可靠、智能化”。
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