張乂文

長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 長春 130022

1 研究背景

電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于歐美汽車制造領(lǐng)域,我國對電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行的研發(fā)還沒有深度展開。目前,國內(nèi)只有少數(shù)公司開發(fā)了機(jī)器人工藝仿真軟件,與RobotMaster、DELMIA、ROBCAD等國外同類軟件相比,在技術(shù)方面還有不小的差距。在教育領(lǐng)域,德國多所高校,如烏爾姆大學(xué)、斯圖加特大學(xué)等都采用電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺進(jìn)行機(jī)械電氣控制及自動化教學(xué),而國內(nèi)則還沒有學(xué)校通過類似途徑開展機(jī)械電氣控制及自動化教學(xué)。

電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺主要依托機(jī)械電氣控制及自動化課程進(jìn)行建設(shè)。機(jī)械電氣控制及自動化課程是機(jī)械電子工程專業(yè)的專業(yè)課,是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程,將電氣控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐,著重闡明電氣控制及可編程序控制器的基本概念、基本知識、基本邏輯編程方法,特別注重工程實(shí)際。傳統(tǒng)上,機(jī)械電氣控制及自動化課程必須在學(xué)校的專用試驗(yàn)平臺上進(jìn)行設(shè)計(jì)編程調(diào)試。

通過電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺,設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字樣機(jī),使用虛擬可編程序控制系統(tǒng),基于可編程序控制器離線編程方式,驅(qū)動數(shù)字樣機(jī),使學(xué)生能更好地了解當(dāng)前流行的自動控制裝置,掌握可編程序控制器的基本概念及基本編程思想,運(yùn)用一種可編程序控制器對自動化裝備進(jìn)行工業(yè)控制應(yīng)用,在教學(xué)成本投入最小的情況下,使學(xué)生能身臨其境了解現(xiàn)代自動化裝備,并對其內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行編程調(diào)試。

2 平臺原理

物理樣機(jī)與虛擬樣機(jī)之間的關(guān)系如圖1所示,虛擬樣機(jī)能夠真實(shí)反映物理樣機(jī)的物理量及相關(guān)電控系統(tǒng)。

圖1 物理樣機(jī)與虛擬樣機(jī)關(guān)系

為了使教學(xué)器材投入最少化、速度最快化,在保證教學(xué)效果的情況下,采用較為成熟的三維設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行搭建。虛擬樣機(jī)主要由三部分組成,分別為虛擬數(shù)字樣機(jī)平臺、虛擬控制系統(tǒng)平臺、可編程序控制器離線編程平臺。

虛擬數(shù)字樣機(jī)平臺采用西門子的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)平臺MCD[1],可以提供機(jī)電設(shè)備的數(shù)字化原型設(shè)計(jì)和虛擬仿真調(diào)試方法?；跈C(jī)電設(shè)備的數(shù)字化原型,通過應(yīng)用于過程控制的對象連接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu)和真實(shí)可編程序控制器進(jìn)行仿真[2],也可以直接連接Matlab、Profinet等接口。

虛擬控制系統(tǒng)平臺采用西門子提供的PLCsim Advanced。這一虛擬可編程序控制器平臺允許在使用離線編程平臺TIA Portal進(jìn)行組態(tài)和工程設(shè)計(jì)期間全面模擬功能,而無需物理連接硬件,并且支持生成虛擬控制器,測試功能[3-4]。

電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺組成如圖2所示,機(jī)械電氣控制及自動化課程的可編程序控制器教學(xué)部分以西門子1500系列可編程序控制器作為講授內(nèi)容。

圖2 電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺組成

電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺的搭建具有普適性,對于采用三菱可編程序控制器進(jìn)行教學(xué)的高校,可以使用GX Works2、MX OPC Server軟件,通過應(yīng)用于過程控制的對象連接與嵌入?yún)f(xié)議與MCD建立平臺[5]。電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺搭建完成后單機(jī)界面如圖3所示。

圖3 電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺單機(jī)界面

3 實(shí)踐教學(xué)

在線教學(xué)前,將軟件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給學(xué)生,學(xué)生準(zhǔn)備一臺計(jì)算機(jī)用于安裝軟件。通過錄播的形式進(jìn)行安裝指導(dǎo),安裝指導(dǎo)錄播文件上傳到網(wǎng)絡(luò),由學(xué)生線下學(xué)習(xí)。在備課時(shí),提前在NX軟件中建立虛擬樣機(jī),并對虛擬樣機(jī)與數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行耦合,保證驅(qū)動正常運(yùn)行。在線教學(xué)過程中,主要進(jìn)行電機(jī)降壓啟動、流水線控制等試驗(yàn),虛擬樣機(jī)如圖4所示。

圖4 虛擬樣機(jī)

學(xué)生應(yīng)用離線編程平臺進(jìn)行編程,導(dǎo)入虛擬控制器來驅(qū)動虛擬樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。教師在教學(xué)過程中通過線上形式進(jìn)行互動答疑。教學(xué)流程如圖5所示。

圖5 教學(xué)流程

4 效果評估

選取2017級本科兩個(gè)班,A班37人,B班34人,選取2016級本科四個(gè)班,C班35人,D班38人,E班32人,F班33人,進(jìn)行電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺的線上教學(xué)。A班、B班為試驗(yàn)組,C班、D班為平行班對照1組,E班、F班為平行班對照2組。以5分為滿分,教學(xué)評估結(jié)果如圖6所示。

圖6 教學(xué)評估結(jié)果

由圖6可見,試驗(yàn)1、2、4時(shí),試驗(yàn)組對比對照組成績略微優(yōu)秀;試驗(yàn)3時(shí),試驗(yàn)組成績略低于對照2組?？傮w而言,利用電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺進(jìn)行線上教學(xué),可以滿足教學(xué)需求。電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺更具靈活性和多樣化,增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,可以使教師更好地結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行教學(xué)。

5 結(jié)束語

通過電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺,可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)真實(shí)物理樣機(jī)試驗(yàn)平臺教學(xué),為教師提供更好的試驗(yàn)教學(xué)條件,并且可以更為緊密地結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。在電控虛擬調(diào)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺建設(shè)過程中,還可以與HALCON平臺進(jìn)行無縫端口對接,為后續(xù)研究生教育中選修的機(jī)械視覺與編程算法課程做好線上教學(xué)的準(zhǔn)備。