礦井排水虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

寇子明 尹鵬飛 高貴軍 秦豪 吳娟 李軍霞 楊麗鳳

摘要：根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，課題組對礦井排水虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開發(fā)。對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行模擬虛擬仿真的開發(fā)研究，通過對排水系統(tǒng)的混合仿真模擬實(shí)現(xiàn)科研成果回饋教學(xué)和理論密切聯(lián)系實(shí)際的效果，有利于提高學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)復(fù)合型卓越人才。實(shí)踐表明，對機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：礦井排水；混合仿真；實(shí)踐教學(xué)；虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）02-0273-02

一、礦井排水簡介及現(xiàn)有教學(xué)系統(tǒng)的不足

隨著社會(huì)的進(jìn)步與科技的飛速發(fā)展，知識(shí)的更新周期在逐漸的縮短，在這個(gè)時(shí)代的背景下，許多教育學(xué)領(lǐng)域的專家對傳統(tǒng)的教學(xué)模式提出了改革，提倡使用現(xiàn)代教學(xué)方式來培養(yǎng)新世紀(jì)的接班人，這對高校人才的培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。

礦井排水系統(tǒng)的教學(xué)還停留在傳統(tǒng)的教學(xué)方法上，其演示方式大多是利用視頻、圖片或者口述等方式完成，在教學(xué)過程中無法深入的展示排水過程，實(shí)際排水系統(tǒng)戰(zhàn)線長、環(huán)境惡劣、安全性低，學(xué)生難以在現(xiàn)場進(jìn)行觀察學(xué)習(xí)，由此導(dǎo)致學(xué)生難以理解礦井排水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行方式，并且學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以接收課堂所授內(nèi)容，考試結(jié)束后容易忘記，在實(shí)際工作中再次遇到同樣的問題需要重新學(xué)習(xí)，給學(xué)生的學(xué)習(xí)和老師的傳授帶來了許多的不便。

二、礦井排水模擬教學(xué)演示系統(tǒng)

礦井自動(dòng)排水教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在實(shí)際排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化，便于學(xué)生能夠快速了解系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)。我們將原先的多泵、多回路系統(tǒng)簡化為單泵、單回路教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，搭建了完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

礦井自動(dòng)排水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)主要由離心泵、管道泵、射流泵、機(jī)電聯(lián)動(dòng)液控閘閥、球閥、壓力表、真空表、傳感器、水箱、管路等部件組成。本系統(tǒng)裝置的PLC排水泵控制裝置控制2臺(tái)排水泵和2臺(tái)出口閘閥，其中一臺(tái)是通過灌泵的形式抽水，另一臺(tái)通過射流泵以抽真空形成負(fù)壓，保證離心水泵能正常排水。兩臺(tái)水泵形成對比，能夠模擬井底水倉、地面水倉、主排水泵、控制箱等，形成礦井自動(dòng)排水的主要組成結(jié)構(gòu)，并有控制和顯示裝置。本系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計(jì)有多種方式，主要有就地遠(yuǎn)程控制（電腦），就地按鈕（檢修）控制兩個(gè)層次的運(yùn)行方式。就地遠(yuǎn)程控制有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種操作方式。

通過遠(yuǎn)程操作界面（如圖1）來控制礦井自動(dòng)排水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，讓學(xué)生實(shí)際操作礦井排水系統(tǒng)，體驗(yàn)真實(shí)的礦井排水過程，對于搭建創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有著重大的幫助。學(xué)生在實(shí)際操作過程中，可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，走向理論教學(xué)到實(shí)踐教學(xué)一體化，重構(gòu)教學(xué)體系，達(dá)到教學(xué)與綜合知識(shí)的綜合培養(yǎng)。

三、基于Automation Studio虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

本虛擬系統(tǒng)是由PLC排水泵控制裝置控制2臺(tái)排水泵和2臺(tái)出口閘閥，其中一臺(tái)是通過灌泵的形式抽水，另一臺(tái)是以抽真空形成負(fù)壓，保證離心水泵能正常排水。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是使學(xué)生深入理解礦井排水系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、深層次理解問題能力的一個(gè)重要方面。通過本次虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，主要達(dá)到以下幾個(gè)教學(xué)目的：（1）計(jì)算機(jī)虛擬操作掌握礦井排水的工藝流程。（2）排水系統(tǒng)核心部件電液閘閥的工作原理。

學(xué)生在了解礦井排水的理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，親自操作Automation Studio虛擬教學(xué)模擬系統(tǒng)，操作電液閘閥的機(jī)電液聯(lián)合模擬系統(tǒng)，掌握排水的工藝流程，掌握電液閘閥的結(jié)構(gòu)組成、液壓控制原理和電控原理，掌握各參數(shù)對閘閥啟閉性能的影響。

礦井排水虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)操作：打開Automation Studio軟件，選中PLC程序圖和動(dòng)畫原理圖，然后點(diǎn)擊菜單上面的模擬。進(jìn)入模擬狀態(tài)后，只需要點(diǎn)擊綠色的啟動(dòng)按鈕，右側(cè)動(dòng)畫圖就會(huì)與左側(cè)PLC程序圖同步運(yùn)行，學(xué)生可以看到基于PLC控制的排水動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程。操作畫面如圖2所示。（2）手動(dòng)操作模擬：打開Automation Studio軟件的手動(dòng)操作系統(tǒng)，進(jìn)入動(dòng)畫畫面后，按照排水工藝流程依次點(diǎn)擊右下方的啟動(dòng)射流泵，啟動(dòng)離心泵，啟動(dòng)電液閘閥按鈕，實(shí)現(xiàn)各排水管路的啟閉控制。關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該先關(guān)閉閘閥，最后關(guān)閉離心泵。如圖3所示。（3）打開Automation Studio軟件的閘閥模擬系統(tǒng)，分別將閘閥3D圖，液壓原理圖和電氣控制圖放在中間界面中，然后點(diǎn)擊菜單上面的模擬鍵進(jìn)入動(dòng)態(tài)模擬畫面，可以得出虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

四、結(jié)語

課題組對礦井排水虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的研究與開發(fā)，建設(shè)了模塊化、層次化、多元化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，對機(jī)械領(lǐng)域的人才培養(yǎng)起到了示范性作用。學(xué)生在虛擬平臺(tái)上自主、直觀、交互、可重復(fù)的學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)科研成果回饋教學(xué)和理論密切聯(lián)系實(shí)際的效果，解決了現(xiàn)有教材很難反映近幾年的新技術(shù)和新裝備、學(xué)習(xí)中很難想象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程和復(fù)雜作業(yè)流程中的性能參數(shù)的變化規(guī)律的問題。特別是學(xué)生可以在虛擬平臺(tái)上親自動(dòng)手，模擬各種工況，實(shí)施人機(jī)交互。這對提高學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)復(fù)合型卓越人才具有十分重要的意義。

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Abstract：According to the needs of teaching experiment，the project group has designed and developed the virtual simulation experiment teaching system for mine drainage.The simulation virtual simulation of the existing experimental equipment is developed.Through the simulation of the mixed simulation of the drainage system，the effect of the scientific research results to the teaching and the theory is closely related to the actual effect.It is beneficial to improve the learning efficiency and cultivate the complex talents.Practice shows that it is very important for the training of students in mechanical engineering.

Key words：mine drainage；mixed simulation；practice teaching；virtual reality