智能制造虛擬實驗系統設計與集成

白瑞峰, 韓洪洪, 于赫洋, 房朝暉

(天津大學 自動化學院, 天津　300072)

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智能制造虛擬實驗系統設計與集成

白瑞峰, 韓洪洪, 于赫洋, 房朝暉

(天津大學 自動化學院, 天津300072)

為解決大型綜合實驗平臺教學設備不足的問題,將虛擬仿真技術、互聯網技術與學科專業深層融合,通過Visual Components構建了汽車智能制造系統沖壓、焊接、噴涂和組裝等產線工藝模型,采用PLC與虛擬對象的通信,實驗系統與門戶網站集成共享。由貼近工程實際的3D虛擬對象代替實際生產線,基本解決了大型綜合實訓平臺的建設難題。該實驗系統推進了實驗教學信息化建設和實驗教學資源開放共享。

智能制造； 虛擬仿真實驗； 實驗室建設； PLC

為落實卓越工程師教育培養計劃、全面提高自動化專業大學生的工程素質,具有工程背景的大型綜合實踐教學越來越受到高校的重視[1]。

在自動化領域的生產實踐中,PLC(可編程控制器)因其操作簡單、可靠性高、功能強,在智能制造生產線中得到了廣泛的應用。在國外,意大利卡塔尼亞大學工程學院[2]、華盛頓大學[3]等一些頂尖高校均建立了開放的實驗教學平臺；在國內,清華大學設計了以汽車變速箱裝配生產線為背景的實驗教學平臺[4]、華中科技大學設計了基于PLC的智能交通實驗教學平臺[5]。但是,基于PLC的綜合實驗平臺存在占用實驗場地大、設備臺套數多、智能制造實踐平臺成本高以及教學過程中的安全問題,這是國內很多高校亟待解決的問題。

完全依靠實體設備的實驗教學模式,會制約對學生創新意識、創新能力的培養,在電氣信息類相關專業中,在智能制造生產線控制系統設計等教學實踐環節方面尤為突出。天津大學電氣與自動化虛擬仿真實驗教學中心將虛擬仿真技術和互聯網技術應用到智能制造控制系統設計的實踐教學中,突破了實驗教學環節中設備、場地、安全性等因素的限制[6],也解決了涉及大型綜合、高危、高能耗、過程不可及和不可逆實驗教學課程的開設問題。

1　汽車智能制造虛擬實驗系統方案設計

本系統選用三菱Q系列PLC,包含Q03UDE型CPU、QX40輸入模塊、QY10輸出、伺服模塊、CC-LINK模塊[7]等。利用編程軟件GX-WORKS2對PLC進行編程。汽車制造智能生產線實驗系統包括服務器、三菱PLC模塊、汽車制造生產線3D虛擬對象(見圖1)。利用Visual Components(VC)搭建的虛擬對象代替了機械對象,可與真實的PLC進行數據交互。實驗系統與服務器的網絡管理平臺集成,使學生可通過互聯網遠程完成實驗項目。

圖1　智能制造虛擬實驗系統結構圖

2　生產線虛擬對象模型構建

根據現代化汽車生產線的生產工藝以及智能制造理念[8],利用3D虛擬仿真軟件VC搭建了沖壓、焊接、噴涂和總裝的工藝模型(見圖2),實現工廠內部的整體可視化。學生可調用已設置好的虛擬對象進行生產線的布局規劃及工藝設計,同時該虛擬環境支持SolidWorks,允許添加自主設計的模型。

可以用真實的PLC控制虛擬對象。學生通過編寫梯形圖程序,實現對虛擬對象電機、閥門、機械手等執行機構的控制；利用MES模塊[9],實現PLC和生產線以及數據庫之間的通信,完成數據交互。此外,學生還可訪問服務器端的組態軟件,設計生產線的中央監控系統[10],完成各工藝聯控、信息管理、訪問管理和可視化監控等實驗內容。

圖2　汽車虛擬智能生產線

3　PLC與虛擬對象的通信

數據通信采用三菱QJ71MES96型MES模塊。通過MES Interface Function Configuration Tool軟件,進行信息鏈接功能所必需的各種設置,包括系統設置、訪問目標設置、軟元件標簽設置、服務器服務設置及作業設置等。信息鏈接功能設置后,需通過DB Connection Service Setting Tool環境進行DB鏈接設置,使MES模塊與數據庫成功通信,從而保證采集到的數據傳送到數據庫中并保存。通過對MES模塊的設置,數據庫中將會實時保存PLC中的參數,實現對生產線的動態監控。MES模塊在此生產線的信息傳遞中有著非常重要的作用。

MES通信模塊的設置完成后,還需進行PLC參數設置,包括I/O分配設置、PLC模塊選擇、添加模塊等。用梯形圖語言編寫控制程序,并對用到的軟元件添加注釋、全局標簽。將梯形圖程序寫入PLC模塊,當虛擬生產線運行時,PLC將可按照程序對各分站進行控制。

4　管理與共享平臺及實驗系統平臺的集成

4.1管理與共享平臺

為持續推進實驗教學信息化建設,推動實驗教學改革與創新,更好地服務廣大學生,天津大學成立了電氣工程與自動化虛擬仿真實驗教學中心,并設計完成了虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺(見圖3)。

圖3　管理與共享平臺網站門戶

虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺是基于J2EE架構的B/S結構,系統用戶角色包括學生、教師、教務員、實驗室管理員等。系統依托校園網絡、虛擬實驗技術和網絡信息技術提高實驗實踐教學水平。

虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺包括虛擬實驗中心門戶網站、實驗前的理論學習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績統計查詢、數字化資源管理、師生互動交流和系統管理等子系統。

該平臺覆蓋電力系統及其自動化、高電壓與絕緣技術、電力電子與電力傳動、電機與電器、理論電工與新技術、控制科學與工程、檢測技術與自動化裝置、模式識別與智能系統共8個學科,具有從基礎實驗到專業綜合實驗再到學科創新3個層次的實驗教學內容。此外,該平臺遵循資源共享、重視科研成果向教學的轉化、注重校企合作,讓更多的本科生提前了解學科前沿的成果。虛擬仿真實驗教學平臺的搭建對全面提升學生電氣與自動化工程技術的綜合素質具有重要意義。

4.2實驗系統集成

為了對虛擬教學資源集中管理,并實現使優質教學資源網絡共享,將實驗系統集成到管理與共享平臺上。Visual Components軟件安裝在實驗中心的專用計算機上,需要版權認證；而管理與共享平臺設置在信息管理中心的大型服務器內。利用虛擬化技術,對服務器進行整合,提高基礎設施利用率,充分挖掘硬件資源的潛在價值。

虛擬化技術[11]是基于應用/服務器計算架構,采用類似虛擬終端的技術,把應用程序的人機交互邏輯與計算邏輯隔離開來。隨著對虛擬化技術研究的逐漸深入和拓展,形成了不同層次的虛擬化技術[12],其中主要包括硬件抽象層、操作系統層、編程語言層的虛擬化技術。在國際上,較早推出應用虛擬化產品的是Citrix公司,國內金萬維、云舒3C和科邁等公司也分別推出具有代表性的產品。綜合考慮成本與使用效果,選用了金萬維公司的E-Soon Link應用虛擬化環境,在服務器和VC專用電腦上分別安裝系統終端與客戶端的E-Soon Link環境,在完成端口映射、DDNS解析、程序發布、許可證配置、安全配置、集群管理、負載均衡策略后,用戶可通過手機及電腦訪問服務器,進而訪問虛擬實驗資源。

5　結語

以培養學生的創新設計能力和綜合設計能力為教學目標,緊密結合學科及工業發展前沿技術的PLC智能制造生產線實踐平臺,應用虛擬化技術解決了大型、綜合、高消耗實驗裝置的建設難題,降低了設備的維護成本,使被控對象易于改造,便于實驗教學環節的拓展與再開發,也突破了承載人數的限制,擴大了受益面。利用虛擬化技術將平臺共享到互聯網,進一步突破了場地限制、擴大了共享范圍。該虛擬實驗環境的構建也充實了本科生實踐教學內容,豐富了工程教育培養手段,滿足了多專業、多層次學生創新實踐需求。

References)

[1] Lozano C, Jindrich D, Kahol K. The impact on musculoskeletal system during multitouch tablet interactions[C]//In Proc.CHI 2011.ACM Press,2011:825-828.

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[4] 黃雪梅,肖田元.智能可重構汽車變速器裝配生產線制造系統研究[J].機械科學與技術,2006,25(4):403-406.

[5] 馮清秀,夏俊力.基于OpenGL的交互式PLC虛擬實驗系統[J].實驗室研究與探索,2011,30(2):47-50.

[6] 苗紅霞,齊本勝.PLC控制技術實驗教學改革研究與實踐[J].實驗技術與管理,2010,27(3):136-139.

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[8] 劉昭斌,劉文芝,顧才東,等.基于智能制造系統的物聯網3D監控[J].實驗技術與管理,2015,32(2):89-93.

[9] 程楠溪.基于J2EE的制造行業MES系統的設計與實現[D].長春:吉林大學,2015.

[10] 吳作明.工業組態軟件與PLC應用技術[M],北京:北京航空航天大學出版社,2007:3-6.

[11] 董焱.基于虛擬化技術的實驗教學中心環境構建[J].實驗技術與管理,2011,28(3):299-302.

[12] 陳小軍,張璟.虛擬化技術及其在制造業信息化中的應用綜述[J].計算機工程與應用,2010,46(23):25-30.

Design and integration of virtual intelligent manufacturing experimental system

Bai Ruifeng, Han Honghong, Yu Heyang, Fang Chaohui

(School of Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to solve the problem of the shortage of teaching equipment in the large-scale comprehensive experimental platform, the virtual simulation technology, and Internet technology were integrated deeply with majors. Through the Visual Components environment, the virtual object of production line was set up, taking car intelligent manufacturing as an example, the construction of process models such as car spraying and assembly, the communication between PLC and virtual objects, and the integration of the experimental system and the portal site were completed. The control of virtual production line by PLC and network sharing of the experimental system were realized. The actual production line was replaced by the 3D virtual object, which was a great deal to solve the problem of large-scale comprehensive training platform. Because of the experimental system’s network sharing, it avoided the limitation of the experimental site to students, and promoted the information construction of experimental teaching and the open sharing of experimental teaching resources.

intelligent manufacturing; virtual simulation experiment; construction of laboratory; PLC

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.033

2015-12-03

2014年天津大學實驗室建設與改革項目；2014年天津大學本科實驗教學改革與研究項目；天津大學大學生創新訓練項目

白瑞峰(1987—),男,天津,碩士,工程師,主要研究方向為控制科學與工程、阻抗測量.

E-mail：bairuifeng@tju.edu.cn

TP23

A

1002-4956(2016)6-0129-03