电控虚拟调试系统试验平台的建设*

张乂文

长春理工大学 机电工程学院 长春 130022

1 研究背景

电控虚拟调试系统目前已经广泛应用于欧美汽车制造领域,我国对电控虚拟调试系统进行的研发还没有深度展开。目前,国内只有少数公司开发了机器人工艺仿真软件,与RobotMaster、DELMIA、ROBCAD等国外同类软件相比,在技术方面还有不小的差距。在教育领域,德国多所高校,如乌尔姆大学、斯图加特大学等都采用电控虚拟调试系统试验平台进行机械电气控制及自动化教学,而国内则还没有学校通过类似途径开展机械电气控制及自动化教学。

电控虚拟调试系统试验平台主要依托机械电气控制及自动化课程进行建设。机械电气控制及自动化课程是机械电子工程专业的专业课,是一门实践性较强的课程,将电气控制理论应用于工程实践,着重阐明电气控制及可编程序控制器的基本概念、基本知识、基本逻辑编程方法,特别注重工程实际。传统上,机械电气控制及自动化课程必须在学校的专用试验平台上进行设计编程调试。

通过电控虚拟调试系统试验平台,设计虚拟数字样机,使用虚拟可编程序控制系统,基于可编程序控制器离线编程方式,驱动数字样机,使学生能更好地了解当前流行的自动控制装置,掌握可编程序控制器的基本概念及基本编程思想,运用一种可编程序控制器对自动化装备进行工业控制应用,在教学成本投入最小的情况下,使学生能身临其境了解现代自动化装备,并对其内部设备进行编程调试。

2 平台原理

物理样机与虚拟样机之间的关系如图1所示,虚拟样机能够真实反映物理样机的物理量及相关电控系统。

图1 物理样机与虚拟样机关系

为了使教学器材投入最少化、速度最快化,在保证教学效果的情况下,采用较为成熟的三维设计平台进行搭建。虚拟样机主要由三部分组成,分别为虚拟数字样机平台、虚拟控制系统平台、可编程序控制器离线编程平台。

虚拟数字样机平台采用西门子的机电一体化设计平台MCD[1],可以提供机电设备的数字化原型设计和虚拟仿真调试方法。基于机电设备的数字化原型,通过应用于过程控制的对象连接与嵌入统一架构和真实可编程序控制器进行仿真[2],也可以直接连接Matlab、Profinet等接口。

虚拟控制系统平台采用西门子提供的PLCsim Advanced。这一虚拟可编程序控制器平台允许在使用离线编程平台TIA Portal进行组态和工程设计期间全面模拟功能,而无需物理连接硬件,并且支持生成虚拟控制器,测试功能[3-4]。

电控虚拟调试系统试验平台组成如图2所示,机械电气控制及自动化课程的可编程序控制器教学部分以西门子1500系列可编程序控制器作为讲授内容。

图2 电控虚拟调试系统试验平台组成

电控虚拟调试系统试验平台的搭建具有普适性,对于采用三菱可编程序控制器进行教学的高校,可以使用GX Works2、MX OPC Server软件,通过应用于过程控制的对象连接与嵌入协议与MCD建立平台[5]。电控虚拟调试系统试验平台搭建完成后单机界面如图3所示。

图3 电控虚拟调试系统试验平台单机界面

3 实践教学

在线教学前,将软件通过网络发送给学生,学生准备一台计算机用于安装软件。通过录播的形式进行安装指导,安装指导录播文件上传到网络,由学生线下学习。在备课时,提前在NX软件中建立虚拟样机,并对虚拟样机与数字样机进行耦合,保证驱动正常运行。在线教学过程中,主要进行电机降压启动、流水线控制等试验,虚拟样机如图4所示。

图4 虚拟样机

学生应用离线编程平台进行编程,导入虚拟控制器来驱动虚拟样机进行试验验证。教师在教学过程中通过线上形式进行互动答疑。教学流程如图5所示。

图5 教学流程

4 效果评估

选取2017级本科两个班,A班37人,B班34人,选取2016级本科四个班,C班35人,D班38人,E班32人,F班33人,进行电控虚拟调试系统试验平台的线上教学。A班、B班为试验组,C班、D班为平行班对照1组,E班、F班为平行班对照2组。以5分为满分,教学评估结果如图6所示。

图6 教学评估结果

由图6可见,试验1、2、4时,试验组对比对照组成绩略微优秀;试验3时,试验组成绩略低于对照2组。总体而言,利用电控虚拟调试系统试验平台进行线上教学,可以满足教学需求。电控虚拟调试系统试验平台更具灵活性和多样化,增加了学生学习的兴趣,可以使教师更好地结合工业生产实际进行教学。

5 结束语

通过电控虚拟调试系统试验平台,可以代替传统真实物理样机试验平台教学,为教师提供更好的试验教学条件,并且可以更为紧密地结合工业生产实际。在电控虚拟调试系统试验平台建设过程中,还可以与HALCON平台进行无缝端口对接,为后续研究生教育中选修的机械视觉与编程算法课程做好线上教学的准备。