帶式輸送機虛擬實驗系統(tǒng)在教學實際中的應用

寇子明 張展寧 李軍霞 梁紹偉 楊麗鳳 吳娟 高貴軍

摘要：帶式輸送機有著非常復雜但很有效的結構和電液控制系統(tǒng)，如果在教學中加入對于這一環(huán)節(jié)的學習與研究，對于培養(yǎng)出全面的工程型人才能夠起到非常關鍵的作用。結合目前的教學實踐需求，提出了帶式輸送機的模擬實驗系統(tǒng)和基于Automation Studio的虛擬實驗系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)能夠讓學生全面了解帶式輸送機的結構及其工作原理，也解決了教師的教學中缺乏實踐環(huán)節(jié)的困擾。

關鍵詞：虛擬實驗系統(tǒng)；帶式輸送機；實踐教學；混合仿真

中圖分類號：G642.0；TH222 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0122-02

帶式輸送機作為現(xiàn)代工業(yè)散狀物料運輸?shù)睦硐朐O備，目前已廣泛用于火電站、港口碼頭、化工、煤炭和礦山等部門。尤其在煤礦企業(yè)，帶式輸送機已經(jīng)成為煤炭生產(chǎn)的重要組成部分。它擔負著煤炭或矸石從采掘工作面到煤倉或洗煤廠運輸?shù)闹匾蝿眨赃\量大、輸送線路適應能力強及連續(xù)運輸?shù)忍攸c成為煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要設備之一。這種體積大、速度快、運載量大的復雜機械有著成熟的工藝和非常高效的電液控制系統(tǒng)，如果在教學中加入對于這一環(huán)節(jié)的學習與研究，對于培養(yǎng)出全面的工程型人才能夠起到非常關鍵的作用。

一、帶式輸送機虛擬實驗系統(tǒng)的研究背景

由于帶式輸送機實物龐大，在實際教學中想使用到這一設備進行實物教學，對于高校的老師和學生都有很大的困難。因此，在傳統(tǒng)教學模式下，學生很難接觸到實物，導致學習時理論與實際脫軌。如果只依靠教材和媒體中的內(nèi)容，會使得這一部分的知識晦澀難懂，給實際教學帶來很大的困擾。

基于這一點，課題組提出并設計了帶式輸送機模擬教學系統(tǒng)，將實際用的帶式輸送設備等比例縮小，保留其核心機械結構及電液控制系統(tǒng)，建立了用于教學的模型。該系統(tǒng)可以模擬不同工況下帶式輸送機的工作過程，讓學生能充分觀察輸送機的運行過程以及控制規(guī)律，從而了解其結構和工作原理，把握好運轉(zhuǎn)過程中應注意的問題及其影響煤礦安全生產(chǎn)的風險分析，達到相關實踐教學的目的。

但是這一模擬實驗系統(tǒng)對于傳統(tǒng)教學環(huán)境來說，投資費用偏大，安裝過程復雜，對于硬件設施要求較高；而且在運行過程中對于運行過程和控制系統(tǒng)的觀測不夠直觀。因此，課題組又提出并建立了基于Automation Studio的虛擬實驗系統(tǒng)，來彌補前者的不足之處。利用人機交互的教學方式從帶式輸送機系統(tǒng)—關鍵技術—核心部件等多個方面系統(tǒng)地完成教學任務，后期的實踐教學可以讓學生在工程實驗室的背景下對帶式輸送機有更加深入的了解，為學生在未來的科研以及工作打下良好的基礎。

二、帶式輸送機仿真模擬教學演示系統(tǒng)

如圖2所示，為帶式輸送機混合仿真模擬教學演示系統(tǒng)，通過這一更便捷、更易接觸的模擬系統(tǒng)，學生能更逼真地觀摩現(xiàn)場的帶式輸送機。

實驗教學是使學生理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生觀察問題、分析問題和解決問題的能力的一個重要方面。通過對于這種教學模型的學習，可以實現(xiàn)以下幾個教學目的：（1）了解掌握帶式輸送機的組成及各部分主要功能；（2）理解帶式輸送機安全運行的關鍵技術及關鍵裝備，熟悉帶式輸送機中的信息流、數(shù)據(jù)流等控制理論；（3）掌握基本的帶式輸送機控制策略以及控制方法。

經(jīng)過這一實驗后，學生可以通過計算機虛擬操作掌握礦井帶式輸送機工作過程和帶式輸送機液壓系統(tǒng)的工作原理以及數(shù)據(jù)流動過程。

三、基于Automation Studio的帶式輸送機混合仿真模擬教學系統(tǒng)

帶式輸送機的操作流程為首先檢查各個系統(tǒng)部件是否處于正常狀態(tài)，包括帶式輸送機液壓張緊系統(tǒng)、盤式制動系統(tǒng)等。為了讓學生更好地了解帶式輸送機的整機運行過程以實現(xiàn)自己虛擬操作，利用Automation Studio軟件搭建了帶式輸送機演示系統(tǒng)，實現(xiàn)人機交互控制。

本系統(tǒng)的具體開發(fā)過程為：通過自帶液壓庫和電氣庫搭建需要仿真的液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，設置好相關參數(shù)后，分別將液壓、電氣組件進行關聯(lián)，從而實現(xiàn)電氣系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)。利用AutomationStudio液壓庫和電氣庫搭建液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，分別建立好液壓圖、電氣控制圖后，對二者進行關聯(lián)操作。電氣控制圖中，打開各觸點和開關的組件屬性，將液壓控制節(jié)點與主電路的電機正轉(zhuǎn)接觸點的輸入信號Receiver進行變量關聯(lián)；打開液壓原理圖中的電機組件屬性，將電氣控制圖中的三相異步電機的輸入信號AngularSpeed添加到變量分配中，實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的關聯(lián)。

實驗目的：（1）通過計算機虛擬操作掌握礦井帶式輸送機工作過程；（2）掌握帶式輸送機液壓系統(tǒng)的工作原理以及數(shù)據(jù)流動。

實驗內(nèi)容：學生在了解礦井帶式輸送機理論知識的基礎上，親自操作 Automation Studio虛擬教學模擬系統(tǒng)，操作帶式輸送機虛擬教學演示系統(tǒng)，掌握帶式輸送機工作過程，掌握液壓控制原理和電控原理，掌握各參數(shù)對帶式輸送機整機液壓系統(tǒng)的影響。

四、結語

課題組建立的這種帶式輸送機虛擬實驗系統(tǒng)，開創(chuàng)了一種新型的教學模式，改善了現(xiàn)有人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中缺乏實踐的現(xiàn)狀，對機械工程學科中的教學環(huán)節(jié)起到了深具啟發(fā)性的影響，并提供了寶貴的經(jīng)驗。因此，后續(xù)仍將進一步地加強對這一系統(tǒng)的開發(fā)與應用，順應如今的科學技術發(fā)展的趨勢，不斷創(chuàng)新，不斷完善。

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