大型教學軟設備的開發與應用

于曉云, 郭海林

(遼寧機電職業技術學院 自動控制工程系, 遼寧 丹東 118009)

在信息技術飛速發展的時代,我國先后提出了《中國制造2025》、“物聯網+”和“供給側改革”等多項戰略舉措[1-2],旨在迅速加入世界先進制造業強國的行列。我國如何加快新型工業化進程,如何迅速提升教育質量、加快高技術人才培養、推進研發創新,成為中國職業教育亟待解決的問題,也是實現中國由制造業大國到制造業強國轉變的首要任務。

大型復雜教學設備的購置和使用是提升高校師資隊伍教學科研水平、培養高新技術人才的主要資源保障。目前很多院校采購的大型設備技術復雜、集成化程度高且十分昂貴。一些院校提出提高大型教學設備利用率的解決方案,例如增加大型設備管理動力學機制[3]、實行大型儀器設備網絡化管理[4]以及建立大型科學儀器共享平臺[5]等；而讓大型儀器設備應用于教學也是提高大型教學設備利用率的重要途徑。本文通過開發一種與真實大型復雜教學設備配套的軟設備,給學生提供一種復雜技術的全新學習方法。

1 大型教學設備配套軟設備技術方案

為振興東北老工業基地,提升遼寧省新型制造業轉型升級發展,遼寧省教育廳2017年批準在丹東地區建設以遼寧機電職業技術學院為核心的“儀器儀表及自動化技術公共實訓基地”,引入很多大型教學儀器設備。這些設備為科學研究、人才培養、技術服務提供了堅實的基礎。與大型教學儀器設備配套的軟設備的開發思路,是按照實際教學設備的功能把各個單元進行“軟拆分”,然后設計制作各功能單元的仿真軟設備,從而實現大型教學儀器設備軟件系統訓練與硬件系統訓練的分離,使得教學實施具有可操作性。

1.1 軟設備系統構成

所謂“軟設備”是相對實際的大型教學儀器“硬設備”而言的。軟設備系統采用觸摸屏,以PLC作為系統的控制核心,從而組成簡單的低成本軟設備系統開發板。通過該開發板,利用觸摸屏嵌入式組態技術中的代碼二次開發功能,對各工作站的實際動作進行虛擬仿真,設計出與真實設備配套的仿真軟設備。

觸摸屏設計的仿真畫面結構形式與實際工作站基本一致。以整套生產線上的供料單元開發過程為例,該單元機械本體由頂料氣缸、推料氣缸、管形料倉、出料臺、待加工工件等主要部件組成,如圖1(a)所示。軟設備的仿真頁面設計與此結構保持一致,同樣由頂料氣缸、推料氣缸、管形料倉、出料臺、待加工工件等主要部件組成,如圖1(b)所示。仿真頁面中有與實際工作站一致的7個檢測傳感器,分別為頂料氣缸前位、頂料氣缸后位、推料氣缸前位、推料氣缸后位、缺料檢測、無料檢測、料臺檢測傳感器。每個傳感器都設計有與實際相同的狀態指示燈,紅色代表接通狀態,白色代表非接通狀態。軟設備系統在結構和功能上與實際系統的一致性,為工程化和標準化教學過程中技能訓練提供了有效的技術保障。

圖1 供料單元結構圖

1.2 軟設備的核心算法

利用觸摸屏嵌入版組態軟件設計腳本程序,實現軟設備系統畫面的各運動部件的動作過程及各傳感器輸出信號狀態變化,例如氣缸伸縮、工件下落、水平移動、傳感器指示燈變化等。系統工作時,學生作為用戶練習編寫PLC程序[6],軟設備系統則實時讀取PLC的數據,根據所讀取的數據控制各部件的動作,如氣缸水平移動、垂直移動、工件下落,而后再將軟設備系統中的各個傳感器信號寫入PLC中,腳本程序每間隔100 ms運行一次。腳本流程設計如圖2所示[7]。

1.3 交互式動畫演示功能

大型教學儀器設備涉及的高新技術很多,大多比較復雜,學生在練習編寫控制系統程序時,需要了解詳細的系統工作過程。傳統的語言在描述系統工作過程和控制要求時,不但語句冗長難懂,而且會產生理解歧義；如果采用實際設備運行演示的方式,又會因為大型設備運行周期長,產生各功能單元需要長時間等待,且無法實現反復觀看等諸多教學問題。

圖2 腳本程序流程設計

為解決上述問題,軟設備的設計是將整套教學設備按功能單元進行拆分,拆分后的各功能單元單獨設計交互式虛擬動畫。在各虛擬畫面中,學生可以自主、反復操作和觀看設備工作過程,而且可以實現系統單步控制動畫演示和各運動部件的單獨控制運行動畫演示,有助于學生更好地理解各單元工作過程[8-9]。

以圖3所示的供料單元虛擬工作畫面為例,學生只需單擊“供料動畫開始”按鈕,在沒有PLC程序控制的情況下,系統就會自動的按照正確的工作過程演示運行[10]。學生也可以通過單擊“供料頂料氣缸”按鈕,單獨控制某個氣缸工作,反復觀看其工作過程。演示運行結束后,由學生自行點擊“供料動畫結束”按鈕,則演示功能結束,演示按鈕消失,學生開始進入自己編程控制系統工作的階段[11]。

圖3 供料單元動畫演示畫面

1.4 軟設備故障提示功能

大型設備在教學實施過程中,由于使用者通常是初學者,因此他們在編程和調試過程中不可避免會發生錯誤,有些錯誤會導致設備嚴重損壞,不但造成很大的經濟損失,也會影響教學的正常進行。這個問題也是導致大型設備利用率低,甚至無法應用于教學的主要原因之一。然而,對于工程技術人員來說,遇到故障和問題是工程師增長實踐經驗最好的機會,不能因為害怕設備損壞而不允許學生調試。為解決這個棘手的問題,提供一種既可以實際練習,使學習者歷經各種故障問題,但又不損壞設備實體的教學方式,軟設備的故障提示功能就凸顯出很大的優勢。

以供料單元為例,在運行過程中,如果學生編寫的PLC控制程序導致仿真畫面中的兩個氣缸(頂料氣缸和推料氣缸)運行不正確,則仿真操作頁面出現故障提示。在實際工作站中，此情況屬于危險故障,此時頂料氣缸未伸出,推料氣缸已伸出,在實際工作站中會出現卡料的情況。

在軟設備的設計過程中,對于各種故障，可以設置生動趣味的報警提示方式,增加學生學習過程的有趣性和有效性。

2 應用效果

由遼寧機電職業技術學院承擔的遼寧省“儀器儀表及自動化技術公共實訓基地建設”項目中,“軟設備”技術發揮了很大的作用,其中“柔性生產線自動化技術實訓室”采用該技術,只花費很少的資金就制作了20套與實際柔性生產線設備配套的軟設備。在實踐教學中,可以安排一個班級的學生同時學習操作相同的工作單元,學生在同一個“軟設備”工位上可以依次完成整套生產線上所有工作站的訓練。“軟設備”訓練階段結束后,學生同時分散到實際生產線的各個工位,各組同時進行不同內容的訓練。

由于有前期“軟設備”訓練的基礎,學生在實際工作站進行調試時,故障率大大降低,并且未發生過設備損壞事故。軟設備的應用,使一個班的40名學生可以同時進行復雜技術訓練,取得了很好的訓練效果。

“軟設備”技術在實訓室建設中節省了大量硬件購置資金和實訓場地,使得大型自動化設備應用于實踐教學成為現實。教學過程中設備損壞率和維修成本大大降低,很好地保障了實訓教學的正常進行。該技術的應用為復雜自動化相關技術的訓練提供技術保障，解決越來越多的工科類院校采購的大型自動化設備無法應用于實際教學中的問題。

3 結語

“軟設備”技術的互動性、逼真性和安全性帶來了仿真教學與實踐操作的良好銜接,在今后的技術發展過程中必將成為實訓室建設和人才培養的重要手段。