電控虛擬調試系統試驗平臺的建設*

張乂文

長春理工大學 機電工程學院 長春 130022

1 研究背景

電控虛擬調試系統目前已經廣泛應用于歐美汽車制造領域,我國對電控虛擬調試系統進行的研發還沒有深度展開。目前,國內只有少數公司開發了機器人工藝仿真軟件,與RobotMaster、DELMIA、ROBCAD等國外同類軟件相比,在技術方面還有不小的差距。在教育領域,德國多所高校,如烏爾姆大學、斯圖加特大學等都采用電控虛擬調試系統試驗平臺進行機械電氣控制及自動化教學,而國內則還沒有學校通過類似途徑開展機械電氣控制及自動化教學。

電控虛擬調試系統試驗平臺主要依托機械電氣控制及自動化課程進行建設。機械電氣控制及自動化課程是機械電子工程專業的專業課,是一門實踐性較強的課程,將電氣控制理論應用于工程實踐,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,特別注重工程實際。傳統上,機械電氣控制及自動化課程必須在學校的專用試驗平臺上進行設計編程調試。

通過電控虛擬調試系統試驗平臺,設計虛擬數字樣機,使用虛擬可編程序控制系統,基于可編程序控制器離線編程方式,驅動數字樣機,使學生能更好地了解當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,運用一種可編程序控制器對自動化裝備進行工業控制應用,在教學成本投入最小的情況下,使學生能身臨其境了解現代自動化裝備,并對其內部設備進行編程調試。

2 平臺原理

物理樣機與虛擬樣機之間的關系如圖1所示,虛擬樣機能夠真實反映物理樣機的物理量及相關電控系統。

圖1 物理樣機與虛擬樣機關系

為了使教學器材投入最少化、速度最快化,在保證教學效果的情況下,采用較為成熟的三維設計平臺進行搭建。虛擬樣機主要由三部分組成,分別為虛擬數字樣機平臺、虛擬控制系統平臺、可編程序控制器離線編程平臺。

虛擬數字樣機平臺采用西門子的機電一體化設計平臺MCD[1],可以提供機電設備的數字化原型設計和虛擬仿真調試方法。基于機電設備的數字化原型,通過應用于過程控制的對象連接與嵌入統一架構和真實可編程序控制器進行仿真[2],也可以直接連接Matlab、Profinet等接口。

虛擬控制系統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進行組態和工程設計期間全面模擬功能,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]。

電控虛擬調試系統試驗平臺組成如圖2所示,機械電氣控制及自動化課程的可編程序控制器教學部分以西門子1500系列可編程序控制器作為講授內容。

圖2 電控虛擬調試系統試驗平臺組成

電控虛擬調試系統試驗平臺的搭建具有普適性,對于采用三菱可編程序控制器進行教學的高校,可以使用GX Works2、MX OPC Server軟件,通過應用于過程控制的對象連接與嵌入協議與MCD建立平臺[5]。電控虛擬調試系統試驗平臺搭建完成后單機界面如圖3所示。

圖3 電控虛擬調試系統試驗平臺單機界面

3 實踐教學

在線教學前,將軟件通過網絡發送給學生,學生準備一臺計算機用于安裝軟件。通過錄播的形式進行安裝指導,安裝指導錄播文件上傳到網絡,由學生線下學習。在備課時,提前在NX軟件中建立虛擬樣機,并對虛擬樣機與數字樣機進行耦合,保證驅動正常運行。在線教學過程中,主要進行電機降壓啟動、流水線控制等試驗,虛擬樣機如圖4所示。

圖4 虛擬樣機

學生應用離線編程平臺進行編程,導入虛擬控制器來驅動虛擬樣機進行試驗驗證。教師在教學過程中通過線上形式進行互動答疑。教學流程如圖5所示。

圖5 教學流程

4 效果評估

選取2017級本科兩個班,A班37人,B班34人,選取2016級本科四個班,C班35人,D班38人,E班32人,F班33人,進行電控虛擬調試系統試驗平臺的線上教學。A班、B班為試驗組,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,教學評估結果如圖6所示。

圖6 教學評估結果

由圖6可見,試驗1、2、4時,試驗組對比對照組成績略微優秀;試驗3時,試驗組成績略低于對照2組。總體而言,利用電控虛擬調試系統試驗平臺進行線上教學,可以滿足教學需求。電控虛擬調試系統試驗平臺更具靈活性和多樣化,增加了學生學習的興趣,可以使教師更好地結合工業生產實際進行教學。

5 結束語

通過電控虛擬調試系統試驗平臺,可以代替傳統真實物理樣機試驗平臺教學,為教師提供更好的試驗教學條件,并且可以更為緊密地結合工業生產實際。在電控虛擬調試系統試驗平臺建設過程中,還可以與HALCON平臺進行無縫端口對接,為后續研究生教育中選修的機械視覺與編程算法課程做好線上教學的準備。