資源共享的智能制造虛擬實驗教學平臺建設

房朝暉, 于赫陽, 李 祺, 白瑞峰

(天津大學 電氣與自動化工程學院, 天津 300072)

資源共享的智能制造虛擬實驗教學平臺建設

房朝暉, 于赫陽, 李 祺, 白瑞峰

(天津大學 電氣與自動化工程學院, 天津 300072)

采用專業虛擬仿真軟件,通過計算機網絡將智能制造設備3D虛擬模型與實體PLC設備建立實時數據連接,形成虛實結合的智能制造實驗教學系統。實驗室局域網經VPN網關與校園網連接,使學生在完成實驗預約后可以通過校園網訪問虛擬實驗教學系統、下載實驗資源、遠程連接PLC,進行虛擬仿真實驗。構建的資源共享智能制造虛擬實驗教學平臺可以提高實驗室資源的利用率,有利于培養更多的專業人才。

資源共享； 智能制造； 虛擬仿真； 實驗教學

智能制造已經成為國家的戰略目標。為了培養更多智能制造相關專業的優秀人才,提供貼近工程實際、能開展多方面綜合創新訓練的實驗環境[1-2],天津大學電氣與自動化實驗中心建設了虛擬啤酒生產線。模擬啤酒生產線包括制麥、糖化、過濾、罐裝、金檢等18個分部,可以為自動化專業學生提供47項實驗[3-4]。學生可以在實驗過程中針對可編程邏輯控制器、工控網絡、計算機控制、數控技術、過程控制等相關課程的理論知識進行實踐應用訓練和創新實踐[5]。

由于實驗場地和設備數量有限制,實驗室通常只能安排1個教學班,2個人一組完成一個分部的設計工作。學生要在2周內完成電氣、控制程序、人機界面、上位機通信等控制系統的設計工作。在學生熟悉實驗環境、查閱技術資料、制訂技術方案等階段,設備的運行效率較低,經常出現人等設備或設備等人的情況。因此,提高實驗教學資源的利用率,讓處于不同學習階段的學生能夠同時使用實驗室的不同實驗資源,成為實驗室建設工作中必須解決的問題。

1 虛擬實驗教學平臺構成

計算機虛擬仿真實驗教學方法的顯著特點是可以不受時間、空間的限制進行實驗[6]；而結合互聯網的虛擬仿真技術是破解智能制造實體實驗教學活動受場地、設備數量制約問題的最佳解決方案。

1.1 虛實結合的仿真實驗教學系統

Virtual Universe Pro(VU Pro)是法國IRAI公司出品的一款功能強大、開放、突出真實性和可編輯性的機電一體化仿真軟件[7]。在智能制造虛擬仿真實驗教學系統中引入VU Pro,學生可根據被控設備的設計圖紙,使用如SolidWorks等第三方建模工具搭建3D虛擬智能制造設備(如圖1所示),乃至設計完整的虛擬生產線。虛擬設備不僅可以依照控制器指令執行實體設備全部的執行動作,還可以向控制器反饋虛擬部件的運行狀態數據。

圖1 虛擬啤酒罐裝智能制造設備3D模型

為了實現高仿真度,VU Pro為每個虛擬設備模型零件賦予了大量的細節參數,使得它可以在很大程度上具有實際物體的屬性。模型零件的細節參數在VU Pro中以寄存器地址的形式存在。通過關聯外部控制器中的輸入/輸出信號與VU Pro中的寄存器地址,即可實現VU Pro中所對應的零件動作。

為更加符合工業現場工況,選擇PLC作為虛擬啤酒生產線的控制器。在虛擬仿真實驗系統中,VU Pro虛擬仿真軟件中的通信組件U Gateway(UG)內嵌了與PLC通信的程序。學生運行控制程序時,PLC可以通過USB或以太網與VU Pro進行實時數據交換。來自PLC的控制數據改變虛擬設備模型零件的寄存器數值,VU Pro即可將寄存器數值轉換成相應模型零件的動作。與此同時,將代表模型零件狀態屬性的寄存器數值反饋給PLC,形成閉環控制(見圖2)。

圖2 虛實結合的仿真實驗教學系統

利用VU Pro進行虛實結合的仿真實驗具有明顯的優勢。

首先,學生的實驗程序是直接下載到PLC實體設備中運行的,與實際的運行工況完全相同,避免了在虛擬機中運行程序會受到計算機操作系統、處理器、仿真軟件等因素的影響。

其次,在工業控制系統中,程序的工作流程完全依賴于被控設備的反饋信號。以往的計算機程序仿真沒有實時的反饋信號,一般只能通過設置斷點、修改程序內部變量進行局部仿真；而智能制造設備的3D虛擬模型是由與真實設備結構完全相同的若干模型零件組成的,VU Pro為每個運動模型零件賦予物理屬性,可以根據設備運行狀態的變化向控制程序提供實時反饋信號,是一種和實際系統相關度極高的仿真過程。

控制智能制造設備3D虛擬模型運行的VU Pro可以通過以太網與PLC連接。通過計算機網絡遠程訪問的方式將VU Pro放置在任何可以訪問到實驗室局域網的計算機上運行,為搭建資源共享的智能制造虛擬實驗教學平臺提供了技術條件。

1.2 平臺網絡構成

資源共享的智能制造虛擬實驗教學平臺由網絡防火墻、虛擬專用網絡(virtual private network,VPN)路由器、教學管理服務器、License服務器、可編程邏輯控制器(PLC)等組成,如圖3所示。

根據虛擬啤酒生產線的18個分部,需要安裝18臺與實體設備電氣連接的PLC。學生可以通過計算機的USB端口或以太網端口將實驗程序下載到PLC中,完成實體實驗項目。在將現有18臺PLC組成局域網的基礎上新增30臺PLC,一并通過VPN路由器向校園網開放。其中教學管理服務器用于學生身份認證、實驗時間預約、資源訪問權限管理、實驗設備分配等實驗教學管理工作；License服務器用于VU Pro虛擬仿真軟件的版權動態認證管理,可以按預約時間、MAC地址、IP地址等方式動態分配和使用軟件授權碼。

當學生預約登記成功后,教學管理服務器通過路由器Console端口控制學生計算機訪問VPN網絡的權限[8]。如圖4所示,學生計算機可以遠程訪問實驗室局域網內的軟件資源和設備,通過PLC編程環境將自己的程序下載到指定IP地址的PLC中,在VU Pro虛擬仿真軟件中實時觀察程序運行結果。

圖3 智能制造虛擬實驗教學平臺系統組成示意圖

圖4 智能制造虛擬實驗教學數據流示意圖

2 共享資源的網絡建設

建設基于互聯網的實驗教學平臺是教學資源共享的基礎。為了保證實驗教學平臺能夠穩定、可靠地運行,采用網絡安全技術手段和嚴格的認證機制是非常必要和重要的。

2.1 虛擬專用網絡(VPN)

虛擬專用網絡(virtual private network,VPN)既是組網技術,又是網絡安全技術,是實現位于不同網絡中端口P2P(對等網絡)互聯的一項隧道技術,可實現遠程用戶安全訪問本地局域網絡。學生用戶可通過校園網訪問實驗室的VPN路由器,建立VPN連接[9-10]。在VPN路由器中，通過篩選器的配置，阻塞除GRE、PPTP和L2TP等協議之外的數據包類型,起到網絡安全防護作用。

虛擬仿真實驗教學平臺按照50人的并發訪問量設計,其應用特點是實驗仿真數據的實時性要求較高、VPN訪問用戶(計算機)數量多、需要能夠實時動態刷新訪問用戶列表。

根據上述需求分析,選用華三(H3C)ER3260G2型企業級千兆路由器作為教學平臺與校園網之間的路由網關,它不僅保證了高速數據的轉發能力,還可基于VRP網絡操作系統實現實驗資源的合理分配、調度、用戶訪問控制、系統安全等管理功能并靈活配置。

2.2 教學管理系統

教學管理系統主要包括了學生個人信息管理、學生選課預約管理、軟件License申請及使用管理、實驗報告提交及成績管理、教學資源下載、教師輔導等功能模塊。其中學生選課預約管理是學生登錄實驗室VPN網絡的關鍵環節。

學生可通過學號和注冊密碼登錄虛擬仿真實驗教學中心網站,進入智能制造虛擬實驗教學平臺。管理系統中的選課信息來自學校教務處的教務信息系統,學生可以很容易地找到自己已選課程所對應的實驗項目。學生在登記了學號、個人計算機MAC地址等身份識別信息后,即可獲得一個在選定時間段內有效的一次性VPN訪問密碼[11]和VU Pro仿真軟件的License授權碼。在預約時間內,學生可以從教學管理服務器中下載虛擬設備的3D模型文件、連接License服務器、連接指定IP地址的PLC并完成實驗項目。

一次性VPN訪問密碼采用目前常用的密碼映射方式,其優點是口令在認證過程中只使用一次,再次認證需重新申請新口令,因而有效提高了實驗教學資源的安全性和使用效率。

3 結語

智能制造虛擬仿真實驗教學平臺在國內尚屬首創,填補了自動化專業實驗教學資源的一項空白。通過采用虛擬仿真實驗的模式,解決了實驗室場地局限、設備數量不足、多校區運行等實驗教學難題。學生除了最后的調試、運行、驗收需要在實體實驗室完成外,其他的實驗環節都可以在網上操作,可以大大提高實驗設備的使用效率。

智能制造虛擬仿真實驗教學平臺以教學平臺開放、實驗資源共享和教師遠程指導3種模式推廣優質教學資源。在3種共享模式的基礎上,虛擬仿真實驗教學平臺在校內推進多學科的實驗教學內容互融互聯,在校際間引領相關學科的實驗教學改革與創新,在社會上持續推進實驗教學的信息化建設與普及,從而實現校內共享、校際共享以及社會共享。

References)

[1] 吳曉蓓.《中國制造2025》與自動化專業人才培養[J].中國大學教學,2015(8)：9-11.

[2] 樸永杰,朱振友,陳善本.機器人焊接柔性制造系統的多智能體協調控制[J].系統仿真學報,2004,16(11):2571-2574.

[3] 袁浩,白瑞峰,房朝暉,等.模擬啤酒生產線可視化中央監控系統設計與實現[J].實驗技術與管理,2014,31(9):120-123.

[4] 白瑞峰,韓洪洪,于赫洋,等.智能制造虛擬實驗系統設計與集成[J].實驗技術與管理,2016,33(6)：129-131.

[5] 劉建濤.遠程教育環境下虛擬實驗室的設計與實現[D].長春：吉林大學,2013.

[6] 張天俠.啤酒灌裝模擬生產線計算機控制系統設計[D].天津：天津大學,2012.

[7] 劉繼光,袁浩,汪澤,等.基于Irai的啤酒生產線虛擬控制平臺設計與實現[J].實驗技術與管理,2015,32(6):127-129.

[8] 劉金江,王保平.計算機網絡實驗教程[M].北京：人民郵電出版社,2009.

[9] 荊忠凱,王柏洲,宋建.基于VPN的可視遠程PLC實驗平臺構建[J].實驗室研究與探索,2015,34(12):129-131.

[10] 羅予東.多實驗分室內網訪問外網可視化管理[J].實驗室研究與探索,2012，31(8)：252-256,280.

[11] 湯丹,匡曉紅,徐聯華,等.VPN動態密碼認證系統設計與實現[J].計算機工程,2007,35(9):171-173.

Construction of virtual experimental teaching platform based on intelligent manufacturing with resource sharing

Fang Zhaohui, Yu Heyang, Li Qi, Bai Ruifeng

(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072, China)

In the computer operation and using 3D virtual software production equipment model,through the local area network and entity PLC equipment connection, this article completes real-time process execution instructions. On this basis,the labLAN through VPN gateway is connected with the campus network,students can access the server to obtain permissions through laboratory management in campus network,complete the experiment reservation,experimental resource download and carry out virtual simulation experiment. The construction of virtual experiment teaching platform of intelligent resource sharing manufacturing complete experimental project, the students whenever and wherever possible greatly improve the utilization ratio of laboratory resources, which can provide sharing high-quality teaching resources for more talents.

resource sharing; intelligent manufacturing; virtual simulation; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.030

2016-10-08

天津大學本科教學工程-實踐創新基地建設項目(0903040401)；天津大學2014年校級實驗室建設改革項目(LAB2014-16)；天津大學2014年實驗教學改革與研究項目(2014—44)；天津大學2016年國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201610056030)；天津大學2016年大學生創新創業訓練計劃項目(201610056310)

房朝暉(1967—),男,天津,碩士,工程師,主要研究方向為數控技術、機械制造自動化.

E-mail：fredfang@163.com

G642

A

1002-4956(2017)4-0118-04