虛實結(jié)合的機電設(shè)備控制仿真平臺

丁金華， 李明穎， 王德權(quán)， 高 騰， 丁明亮， 劉賢達(dá)， 王魁一

(大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

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虛實結(jié)合的機電設(shè)備控制仿真平臺

丁金華， 李明穎， 王德權(quán)， 高 騰， 丁明亮， 劉賢達(dá)， 王魁一

(大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

機電設(shè)備控制仿真平臺由上下位機構(gòu)成，上位機觸摸屏(或PC機)與下位機嵌入式系統(tǒng)采用RS485相連，基于MODBUS協(xié)議通信。上位機觸摸屏(或PC機)上的虛擬機電設(shè)備檢測控制端口通過下位機嵌入式系統(tǒng)的實際端子與學(xué)生實際設(shè)計的PLC或單片機控制系統(tǒng)上的IO口端子相連，構(gòu)成了虛實結(jié)合的機電設(shè)備控制仿真平臺。下位機嵌入式系統(tǒng)由一個主模塊和多個級聯(lián)副模塊構(gòu)成。上位機的虛擬機電設(shè)備采用可視化組態(tài)軟件MCGS完成，下位機采用Keil C語言進(jìn)行設(shè)計。舉例說明了典型機電一體化產(chǎn)品XY數(shù)控工作臺和壓蠟機的虛擬設(shè)計。

虛擬仿真平臺； 機電設(shè)備控制； 數(shù)控工作臺； 壓蠟機

機電設(shè)備的運行離不開控制系統(tǒng)。常用機電設(shè)備的控制系統(tǒng)有PLC控制系統(tǒng)[1]、嵌入式控制系統(tǒng)[2]、計算機控制系統(tǒng)[3]等。機電控制系統(tǒng)的教學(xué)涉及機械電子工程專業(yè)多門核心課程，例如“可編程序控制器原理及應(yīng)用”、“單片機原理與接口技術(shù)”、“工業(yè)可視化監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)用”、“微機原理與應(yīng)用”、“傳感器與測試技術(shù)”、“電氣控制技術(shù)”、“機械制造工程基礎(chǔ)”和“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”。通常購置機電設(shè)備需要較多資金，即使學(xué)校實驗室已有一些典型機電設(shè)備，也因為數(shù)量不多，不能用作被控對象讓每個學(xué)生進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試。而完全通過軟件仿真，雖然能讓學(xué)生了解機電設(shè)備的工作過程，卻很難讓學(xué)生通過PLC或嵌入式系統(tǒng)的軟件編程與調(diào)試得到鍛煉。為此，構(gòu)建了虛實結(jié)合的機電設(shè)備控制仿真平臺[4]，既可讓學(xué)生了解機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、工作原理和工作流程，又可以將PLC或嵌入式系統(tǒng)通過IO口與之相連，控制虛實結(jié)合的機電設(shè)備運行，達(dá)到與控制實際機電設(shè)備一樣的效果[5-8]。

1 虛實結(jié)合機電設(shè)備控制仿真平臺硬件設(shè)計

虛實結(jié)合的機電設(shè)備控制仿真平臺硬件如圖1所示。仿真硬件平臺采用上下位機結(jié)構(gòu)，下位機利用串行通信進(jìn)行級聯(lián)，將主模塊、級聯(lián)模塊等多個主副控制器連接起來，以滿足不同機電設(shè)備的IO口需要。

圖1 虛實結(jié)合機電設(shè)備控制仿真平臺硬件

上位機機電設(shè)備仿真界面實際是真實機電設(shè)備的虛擬影像，但可以與下位機通過RS485(或RS232)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)或命令通信。仿真界面上的每一個機電元件的電氣接口都與下位機的輸入輸出端子相對應(yīng)，因而可被其他系統(tǒng)檢測與控制。

下位機負(fù)責(zé)將上位機的各機電元件、電氣接口連接到真正的端子上，同時機電元件的通斷狀態(tài)(開關(guān)量)或電平(模擬量)也表現(xiàn)在端口處。這樣，學(xué)生設(shè)計的控制系統(tǒng)可以通過實際的導(dǎo)線和端口與被控的上位機中的虛擬機電設(shè)備相連接。

1.1 上位機

上位機可以使用MCGS觸摸屏或PC機，以滿足不同用戶的需要。MCGS觸摸屏采用RS485接口與主控器相連，PC機采用RS232接口與主控器相連。上下位機利用MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信。

1.2 下位機

下位機主控芯片采用嵌入式微處理器STM32F103R8T6進(jìn)行模塊化設(shè)計。主模塊含有12路IO隔離輸出接口、10路IO隔離輸入接口、1路RS232接PC機、1路RS485接觸摸屏HMI、1路RS485用于級聯(lián)控制器，以擴(kuò)展IO口的數(shù)量或功能(見圖1)。擴(kuò)展數(shù)字IO口的級聯(lián)模塊可以用主模塊來代替，擴(kuò)展模擬IO口的級聯(lián)模塊選用模擬量模塊。模擬量模塊含有4路DC 4～20 mA輸入通道和4路DC 4～20 mA輸出通道。

開關(guān)量輸入接口可連接光電傳感器、霍爾元件傳感器、行程開關(guān)、位置開關(guān)、按鍵按鈕、編碼器等數(shù)字輸入量。

模擬量輸入接口可連接溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等模擬信號輸入。模擬量輸入接口設(shè)計為工業(yè)常用的DC 4～20 mA輸入信號形式。

開關(guān)量輸出接口可連接繼電器、接觸器、閥門、缸體、指示燈、步進(jìn)電機或伺服電機控制信號等數(shù)字量輸出信號。

模擬量輸出接口可連接變頻器控制信號、閥門位置等模擬量輸出信號。模擬量輸出接口設(shè)計為工業(yè)常用的DC 4～20 mA輸出信號形式。

通信接口采用RS232和RS485兩種硬件接口形式，可按照MODBUS通信協(xié)議進(jìn)行通信，用于交換數(shù)據(jù)與命令。

2 虛實結(jié)合機電設(shè)備仿真平臺軟件設(shè)計

機電設(shè)備仿真平臺軟件設(shè)計同樣包含上位機和下位機軟件設(shè)計。

2.1 上位機機電設(shè)備仿真界面設(shè)計

上位機機電設(shè)備仿真界面采用工業(yè)組態(tài)軟件MCGS來完成。利用MCGS的設(shè)備窗口完成上位機與下位機通信設(shè)置、數(shù)據(jù)和命令交換。在MCGS的用戶窗口，采用圖形對象、圖元對象、圖符對象實現(xiàn)機電設(shè)備的仿真界面設(shè)計，經(jīng)變量連接，可以完成機電設(shè)備的仿真運行。在MCGS的實時數(shù)據(jù)庫可以設(shè)置機電設(shè)備的變量；在運行策略里進(jìn)行腳本程序的編寫。

2.2 下位機嵌入式控制器軟件設(shè)計

下位機采用Keil MDK C語言進(jìn)行設(shè)計，主要實現(xiàn)上下位機的變量數(shù)據(jù)交換，從而在下位機嵌入式控制器的IO口端子通過高低電平(開關(guān)量和模擬量)表現(xiàn)其工作狀態(tài)。具體包括2部分的內(nèi)容。

(1) 通信模塊。通信模塊包括3部分：①與上位機觸摸屏或PC機基于MODBUS通信協(xié)議的通信程序，所編寫的通信程序能夠完成MODBUS常用的功能命令，也可根據(jù)需要進(jìn)行添加；②與級聯(lián)的控制模塊相連的通信程序(為了統(tǒng)一起見，也采用MODBUS協(xié)議完成控制板級聯(lián)程序)，主控制器為主，其他級聯(lián)模塊為從；③第2路RS485作為自由口，以備與其他通信協(xié)議的模塊相連，例如可用作讀取伺服驅(qū)動器內(nèi)部寄存器。

(2) 數(shù)據(jù)交換模塊。數(shù)據(jù)交換模塊負(fù)責(zé)解釋觸摸屏或PC機上虛擬機電設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)，與下位機控制的變量實現(xiàn)連接，然后將對應(yīng)的輸入輸出數(shù)據(jù)表現(xiàn)在下位機控制器的IO端口上。

3 典型機電設(shè)備的虛擬設(shè)計

虛實結(jié)合的機電設(shè)備控制仿真平臺可通過觸摸屏或PC機的屏幕選取不同的虛擬機電設(shè)備作為控制對象。本文以典型的虛擬機電設(shè)備XY數(shù)控工作臺和壓蠟機為例來說明。

3.1 XY數(shù)控工作臺

XY數(shù)控工作臺是許多數(shù)控加工設(shè)備和電子加工設(shè)備的基本部件[9-10]，數(shù)控車床的縱橫進(jìn)刀裝置、激光加工設(shè)備、芯片封裝與表面貼裝設(shè)備、刻字機等都含有XY工作臺。工作臺的運動是直線運動單元在X向、Y向運動的合成運動。學(xué)生使用單片機編寫插補程序，驅(qū)動X、Y兩個步進(jìn)電機完成相應(yīng)動作，實現(xiàn)預(yù)定的運動軌跡。

每個步進(jìn)電機至少需要2個接口控制步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)。若采用方向脈沖方式，則一個接口的高低電平表示正反轉(zhuǎn)，另一個接口為旋轉(zhuǎn)脈沖；若采用雙脈沖方式，則一個接口的脈沖為正轉(zhuǎn)，另一個接口的脈沖為反轉(zhuǎn)。XY工作臺的X向、Y向運動各需一個電機，共需4個控制IO口。虛擬XY數(shù)控工作臺如圖2所示。

在圖2中，右上角為控制面板，右下角為工作臺，右中為接口狀態(tài)指示，其中X0.0為X向左移動脈沖信號、X0.1為X向右移動脈沖信號；X0.2為Y向上移動脈沖信號，X0.3為Y向下移動脈沖信號。左面為工作臺面圖，可根據(jù)步進(jìn)電機的脈沖信號繪制插補運算的移動軌跡。

3.2 壓蠟機

壓蠟機用于熔模精密鑄造的蠟?zāi)褐芠11-12]，鑄造用蠟?zāi)V泛用于飛機空氣渦輪發(fā)動機、醫(yī)療器械、潛艇構(gòu)件、環(huán)保用具、通用機械、計算機以及汽車等零部件的精密鑄造。壓蠟機的工作是借助壓蠟裝置和模具，用液態(tài)或膏態(tài)的模料制造出所需要的蠟型。

圖2 虛擬XY數(shù)控工作臺

圖3為所設(shè)計的虛擬壓蠟機界面。虛擬壓蠟機可實現(xiàn)合模、開模、壓蠟、補蠟、頂模和脫模劑噴射等工作過程，所涉及的傳感器等變量如表1所示，閥門及缸體控制變量如表2所示。

圖3 虛擬壓蠟機

傳感器名稱限位信號所用變量ONOFF備用Y00停止限位傳感器限位1Y0110快慢限位傳感器限位2Y0210補蠟限位傳感器限位3Y0310光電檢測傳感器光電Y0410脫模劑缸停止傳感器限位4Y0510脫模劑缸換向傳感器限位5Y0610設(shè)備門限傳感器門Y0710

表2 虛擬機的閥門、缸體信號及變量

可以將虛擬壓蠟機作為被控對象，采用PLC或嵌入式系統(tǒng)控制該虛擬壓蠟機，進(jìn)行編程控制與調(diào)試，共涉及19個輸入輸出口參數(shù)和6個定時器的控制系統(tǒng)編程。學(xué)生通過對壓蠟機工作原理的學(xué)習(xí)和虛擬壓蠟機的動作仿真、編程與調(diào)試，對所學(xué)過的單片機、PLC等課程的內(nèi)容能融會貫通，強化了工程實踐能力。

4 結(jié)束語

采用虛實結(jié)合的機電設(shè)備控制仿真平臺構(gòu)建虛擬實驗室，可以做到學(xué)生人手一臺仿真設(shè)備，使每位學(xué)生都能得到實際的操作訓(xùn)練。虛實結(jié)合的機電設(shè)備控制仿真平臺克服了資源、時間、人力等條件的局限，將真實世界的機電設(shè)備移植到虛擬環(huán)境中。通過所設(shè)計的硬件系統(tǒng)將設(shè)備的IO口與實際的端子相連，采用PLC或嵌入式單片機進(jìn)行控制設(shè)計，就不再僅僅是模擬，而是可以通過端子驅(qū)動虛擬的機電設(shè)備工作。虛擬實驗設(shè)備還可以解決高校普遍存在的實驗設(shè)備不足、型號落后、難以更新?lián)Q代的困難，構(gòu)建以學(xué)生為主體的實踐教學(xué)方法，改善實驗實訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程、提高教學(xué)效果。

References)

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Control simulation platform for mechanical and electrical equipment with virtuality and reality combination

Ding Jinhua， Li Mingying， Wang Dequan， Gao Teng， Ding Mingliang, Liu Xianda, Wang Kuiyi

(Department of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)

The control simulation platform for mechanical and electrical equipment with virtuality and reality combination consists of the master computer and the slave computer. The master computer with touch screen (or PC) and the slave computer with embedded system are connected by RS485, based on the MODBUS protocol communication. Virtual mechanical and electrical equipment testing and control ports on the master computer via the slave computer’s actual terminal could be connected to the terminal of PLC or single-chipped computer control system designed by students. The slave computer with embedded system consists of a main module and multiple cascaded modules. The virtual mechanical and electrical equipment on the master computer is programed by using visual configuration software MCGS, while the slave computers using Keil C. Virtual design on the typical mechatronics product of XY NC sliding table and the wax injection machine are illustrated.

virtual simulation platform; control of mechanical and electrical equipment; NC sliding table; mechatronics

2014- 06- 29

2012年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究立項項目 “多元構(gòu)建實踐環(huán)境培養(yǎng)機電學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力”(811)資助；2013年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽項目(2013065) 資助

丁金華(1962—)，男，山東威海，博士，教授，研究方向為機械電子工程.

E-mail：42012450@qq.com

TP391

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1002-4956(2015)2- 0119- 04