虛實結合的機電設備控制仿真平臺

唐靈飛，孫俊鴿

（洛陽職業技術學院，河南 洛陽 471000）

伴隨著社會的快速發展，信息化技術的進步，傳統的仿真技術，已經不能夠完全滿足人們當今的需求，大眾需要一種更加真實的仿真模式。相關人員通常要通過軟件仿真了解機電設備的工作過程，但是這種方法不能讓他們對嵌入式系統的軟件編程調試進行深入的理解。為了能夠解決這一問題，創造出了虛實結合的機電設備控制仿真平臺，達到了解機電設備工作流程、鍛煉操作水平的目的。

1 虛實結合的模擬仿真平臺

1.1 虛實結合的仿真平臺內涵

從理論的角度來說，仿真平臺，是指利用虛擬的技術，在虛擬環境中建立出實際生活放心實驗中所處的環境。相關人員能夠在仿真平臺上完成項目的實驗，還能夠對其實驗結果進行評定。仿真平臺中的模擬對象，都具有非常高的真實性，通過在仿真平臺中對研究對象的模擬，能夠更直觀地了解機械設備，提升相關人員的專業技能。但是，單純使用虛擬仿真設備并不能有效保證設備及操作技能的訓練效果，為此運用虛實結合的模擬仿真平臺，可以對不同的機電設備進行更加真實的仿真模擬。在這個模擬過程中，需要手工搭建控制系統，并且編寫代碼，讓電腦軟件的機械設備做出仿真模擬動作，不僅可以減少實驗室的費用，還能提升實訓效果。

1.2 虛實結合仿真平臺的優勢

使用相關的仿真組件，可以保證人員自主地進行模擬仿真的探索和實踐，將MCGS 組態軟件使用在機電設備調試當中，能夠讓人員在十分真實的環境當中進行人機互動，并且可以獲得及時的信息反饋，不僅保證了學習效果，也具備較強的吸引力，所以能夠提升積極性。并且，這種方式也具有很強的靈活性，操作者可以根據自己的知識理解和學期情況制定訓練計劃，以及調整學習進度，從而實現有選擇的學習。對于一些比較難以掌握的位置，則可以利用反復的學習，實現對知識的掌握。由于使用了軟件，保證每個人都有一臺計算機，在保證大量人員進行學習的情況下，也可以保證所有人都有足夠的學習時間。并且在實驗的過程中，避免了直接進行機電設備的操作，不僅避免了機電設備因為使用而造成損壞和老化，也讓學習人員獲得了一個十分安全的環境，防止自身的安全受到威脅。最后，使用該技術還可以減少能耗，尤其是可以減少對原材料、工具、儀表等設備的使用，更好地節約設備，并且由于工作過程經過了模擬，所以有效降低了能源的使用。

1.3 虛實結合仿真平臺的應用策略

使用在教學和實訓當中時，必須要以教學為輔，實際操作為主，加強實際操作的訓練。教學的內容，比如操作對象的型號、系統都要和實際的訓練內容相近，保證學習效果和學習效率。比如對于機械部件的裝調實訓，反震系統里的拆裝對象必須要和實際使用的機床相一致。在實訓階段，需要依靠仿真系統提供的機械部件裝配圖、機械部件三維模型，了解機械的工作原理，對于相同的機床載體，如果已經熟悉了其結構和工作原理，還需要訓練基本的拆裝流程和對工藝進行調試。

1.4 虛實結合仿真存在的不足

雖然經過了模擬仿真，可以將機電設備的特點完全地展現出來，虛擬場景也和實際場景十分接近，但是由于整個學習過程都是使用鼠標鍵盤進行訓練，并且仿真本身和現實還有一定的差距，所以和真正的動手實踐還有一定的區別。更為重要的是，由于并沒有安全隱患，所以在學習的過程中可能對安全問題并不會太在意，會導致養成不好的習慣。

2 虛實結合機電設備控制仿真平臺的硬件設計

虛擬結合的仿真硬件平臺采用上下位機結構，下位機使用串行通信進行級聯，使主模塊、級模塊等控制器連接起來，滿足電機設備在IO 口上的需要，并且將上位機的各種電元件、電氣接口在真正的端子上連接，電源鍵的通斷狀態和點評也在端口處表現出來。從而使被設計出來的控制系統可以通過實際的導線和端口與被控制的上位虛擬機中的電設備連接。在仿真界面上，每個電子元件的電器接口都和下位機的輸入輸出端子對應，使其能夠被其他的系統控制和檢測。

2.1 上位機的設計

針對不同的仿真需求，上位機可以使用MCGS 觸摸屏或者PC 機。MCGS 觸摸屏使用RS485 接口和主控機器連接，PC機使用RS232 接口與主控器連接，上下位機使用MODBUS 協議通信。

2.2 下位機的設計

下位機的主控芯片需要采用嵌入式微處理器，并且進行模塊化設計，主模塊含有12 路IO 隔離輸出接口，1 路RS232 接PC 機，擴展IO 口等等，可以利用主模塊來代替擴展數字IO 口的級聯模塊，使用模擬量模塊作為擴展模擬IO口的級聯模塊。開關輸入接口可以連接光電傳感器、霍爾元件傳感器和開關等等，模擬輸入接口要和位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等相連，從而接收模擬信號。開關量輸入接口可以連接繼電器、接觸器、閥門、指示燈等，接收和控制數字信號。

3 虛實結合繼電設備的仿真平臺軟件設計

3.1 上位機機電設備的仿真界面設計

上位機繼電設備的仿真需要使用工業組態軟件MCGS，設計界面時，需要使用到MCGS 設備的窗口實現上位機和下位機的通信設置，以及數據和命令的交換，在同時還需要利用窗口來實現圖形對象、圖元對象、圖符對象的仿真設計，再利用變量連接，就能夠實現機電設備的仿真運行。利用MCGS 的實時數據庫也可以設置機電設備的變量，并利用運行腳本來編寫運行策略。

3.2 下位機嵌入式控制軟件的設計

下位機需要實現上下位機的數據交換，實現在下位機嵌入式控制器的IO 口端子通過高低電平時能夠表現它的工作狀態。下位機軟件的通信模塊分為3 個部分。要和上位機使用MODBUS 通信協議進行通信，編寫的通信程序要能夠實現MODBUS 常用功能命令的輸出，也可以根據需要進行添加。設計級聯控制模塊相連的通信程序時，為了保證整個通信軟件的統一，也要使用MODBUS 通信協議設計控制板級聯程序，以主控制器作為主，其他模塊輔助主控制器。第二路RS485作為自由口，以保證能夠和其他協議的模塊相連。數據交換模塊負責解釋觸摸屏或者PC 機上的虛擬機電設備的命令，或者對輸入的數據進行分析，下位機控制的變量實現連接，然后將對應的輸入輸出數據展現在下位控制器的IO 端口上。

4 典型的機電設備虛擬設計

4.1 XY 數控工作臺

XY 數控工作臺是很多數控加工設備和電子加工設備的基本部件，包括數控車床的縱橫進刀裝置、激光加工設備、芯片封裝和表面貼裝設備等等，都含有XY 工作臺，工作臺的運動方式是直線運動單元合成X 方向和Y 方向的運動，可以使用單片機進行程序的編寫，驅動XY 兩個步驟實現電機的相應工作，并實現設計的運動軌跡。每次運動電機都需要至少兩個接口控制步來實現電機的運轉，如果使用脈沖的方式，則一個接口給的高低點評表示正反轉，另一個接口為旋轉脈沖；如果采用雙脈沖的方式，一個接口的脈沖為正轉，另外一個接口的脈沖為反轉。XY 工作臺的X 向、Y 向的運動需要1 個電機，4 個IO 口進行控制。

4.2 壓蠟機

壓蠟機主要使用在榮默精密鑄造的蠟模壓制上，鑄造師選用的蠟模被廣泛適用于飛機空氣渦輪發動機、醫療器械、環保用具、通用機械、汽車零部件上，壓蠟機借助壓蠟裝置和模具，將液態的模料鑄造成蠟型。虛擬壓蠟機可以實現開模、合模、壓蠟、補蠟、脫模機噴射、頂模等工作。在進行虛擬壓蠟機的設計時，需要使用PLC 或者嵌入式系統來控制虛擬的壓蠟機，編程調試時，需要對19 個輸入輸出口和6個定時器的控制系統進行編程。利用這個方式，可以對壓蠟機進行虛擬模擬，提高對壓力機工作原理的認識。

5 結語

利用虛實結合的機電設備控制仿真平臺，來打造一個虛擬的實驗室，能夠讓相關人員進行實戰演練，提升其操作能力。平臺的應用能夠高效解決因為實驗設備數量不足、型號不先進、設備老舊而產生的問題。通過實踐，來提升相關人員的專業素質與實操水平。