帶式輸送機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)際中的應(yīng)用

寇子明 張展寧 李軍霞 梁紹偉 楊麗鳳 吳娟 高貴軍

摘要：帶式輸送機(jī)有著非常復(fù)雜但很有效的結(jié)構(gòu)和電液控制系統(tǒng)，如果在教學(xué)中加入對于這一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)與研究，對于培養(yǎng)出全面的工程型人才能夠起到非常關(guān)鍵的作用。結(jié)合目前的教學(xué)實(shí)踐需求，提出了帶式輸送機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和基于Automation Studio的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)能夠讓學(xué)生全面了解帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，也解決了教師的教學(xué)中缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)的困擾。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；帶式輸送機(jī)；實(shí)踐教學(xué)；混合仿真

中圖分類號：G642.0；TH222 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0122-02

帶式輸送機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)散狀物料運(yùn)輸?shù)睦硐朐O(shè)備，目前已廣泛用于火電站、港口碼頭、化工、煤炭和礦山等部門。尤其在煤礦企業(yè)，帶式輸送機(jī)已經(jīng)成為煤炭生產(chǎn)的重要組成部分。它擔(dān)負(fù)著煤炭或矸石從采掘工作面到煤倉或洗煤廠運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)，以運(yùn)量大、輸送線路適應(yīng)能力強(qiáng)及連續(xù)運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)成為煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。這種體積大、速度快、運(yùn)載量大的復(fù)雜機(jī)械有著成熟的工藝和非常高效的電液控制系統(tǒng)，如果在教學(xué)中加入對于這一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)與研究，對于培養(yǎng)出全面的工程型人才能夠起到非常關(guān)鍵的作用。

一、帶式輸送機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究背景

由于帶式輸送機(jī)實(shí)物龐大，在實(shí)際教學(xué)中想使用到這一設(shè)備進(jìn)行實(shí)物教學(xué)，對于高校的老師和學(xué)生都有很大的困難。因此，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生很難接觸到實(shí)物，導(dǎo)致學(xué)習(xí)時理論與實(shí)際脫軌。如果只依靠教材和媒體中的內(nèi)容，會使得這一部分的知識晦澀難懂，給實(shí)際教學(xué)帶來很大的困擾。

基于這一點(diǎn)，課題組提出并設(shè)計了帶式輸送機(jī)模擬教學(xué)系統(tǒng)，將實(shí)際用的帶式輸送設(shè)備等比例縮小，保留其核心機(jī)械結(jié)構(gòu)及電液控制系統(tǒng)，建立了用于教學(xué)的模型。該系統(tǒng)可以模擬不同工況下帶式輸送機(jī)的工作過程，讓學(xué)生能充分觀察輸送機(jī)的運(yùn)行過程以及控制規(guī)律，從而了解其結(jié)構(gòu)和工作原理，把握好運(yùn)轉(zhuǎn)過程中應(yīng)注意的問題及其影響煤礦安全生產(chǎn)的風(fēng)險分析，達(dá)到相關(guān)實(shí)踐教學(xué)的目的。

但是這一模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對于傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境來說，投資費(fèi)用偏大，安裝過程復(fù)雜，對于硬件設(shè)施要求較高；而且在運(yùn)行過程中對于運(yùn)行過程和控制系統(tǒng)的觀測不夠直觀。因此，課題組又提出并建立了基于Automation Studio的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，來彌補(bǔ)前者的不足之處。利用人機(jī)交互的教學(xué)方式從帶式輸送機(jī)系統(tǒng)—關(guān)鍵技術(shù)—核心部件等多個方面系統(tǒng)地完成教學(xué)任務(wù)，后期的實(shí)踐教學(xué)可以讓學(xué)生在工程實(shí)驗(yàn)室的背景下對帶式輸送機(jī)有更加深入的了解，為學(xué)生在未來的科研以及工作打下良好的基礎(chǔ)。

二、帶式輸送機(jī)仿真模擬教學(xué)演示系統(tǒng)

如圖2所示，為帶式輸送機(jī)混合仿真模擬教學(xué)演示系統(tǒng)，通過這一更便捷、更易接觸的模擬系統(tǒng)，學(xué)生能更逼真地觀摩現(xiàn)場的帶式輸送機(jī)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、分析問題和解決問題的能力的一個重要方面。通過對于這種教學(xué)模型的學(xué)習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)以下幾個教學(xué)目的：（1）了解掌握帶式輸送機(jī)的組成及各部分主要功能；（2）理解帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵裝備，熟悉帶式輸送機(jī)中的信息流、數(shù)據(jù)流等控制理論；（3）掌握基本的帶式輸送機(jī)控制策略以及控制方法。

經(jīng)過這一實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可以通過計算機(jī)虛擬操作掌握礦井帶式輸送機(jī)工作過程和帶式輸送機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理以及數(shù)據(jù)流動過程。

三、基于Automation Studio的帶式輸送機(jī)混合仿真模擬教學(xué)系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)的操作流程為首先檢查各個系統(tǒng)部件是否處于正常狀態(tài)，包括帶式輸送機(jī)液壓張緊系統(tǒng)、盤式制動系統(tǒng)等。為了讓學(xué)生更好地了解帶式輸送機(jī)的整機(jī)運(yùn)行過程以實(shí)現(xiàn)自己虛擬操作，利用Automation Studio軟件搭建了帶式輸送機(jī)演示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。

本系統(tǒng)的具體開發(fā)過程為：通過自帶液壓庫和電氣庫搭建需要仿真的液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，分別將液壓、電氣組件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)。利用AutomationStudio液壓庫和電氣庫搭建液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，分別建立好液壓圖、電氣控制圖后，對二者進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作。電氣控制圖中，打開各觸點(diǎn)和開關(guān)的組件屬性，將液壓控制節(jié)點(diǎn)與主電路的電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸點(diǎn)的輸入信號Receiver進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)；打開液壓原理圖中的電機(jī)組件屬性，將電氣控制圖中的三相異步電機(jī)的輸入信號AngularSpeed添加到變量分配中，實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）通過計算機(jī)虛擬操作掌握礦井帶式輸送機(jī)工作過程；（2）掌握帶式輸送機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理以及數(shù)據(jù)流動。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：學(xué)生在了解礦井帶式輸送機(jī)理論知識的基礎(chǔ)上，親自操作 Automation Studio虛擬教學(xué)模擬系統(tǒng)，操作帶式輸送機(jī)虛擬教學(xué)演示系統(tǒng)，掌握帶式輸送機(jī)工作過程，掌握液壓控制原理和電控原理，掌握各參數(shù)對帶式輸送機(jī)整機(jī)液壓系統(tǒng)的影響。

四、結(jié)語

課題組建立的這種帶式輸送機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開創(chuàng)了一種新型的教學(xué)模式，改善了現(xiàn)有人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中缺乏實(shí)踐的現(xiàn)狀，對機(jī)械工程學(xué)科中的教學(xué)環(huán)節(jié)起到了深具啟發(fā)性的影響，并提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。因此，后續(xù)仍將進(jìn)一步地加強(qiáng)對這一系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，順應(yīng)如今的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢，不斷創(chuàng)新，不斷完善。

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