智能制造虛擬仿真實踐教學模式構建

王子輝 康 敏 費正順

(浙江科技學院 機器人產(chǎn)業(yè)學院 自動化與電氣工程系, 杭州 310023)

隨著國家“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的快速推進,工業(yè)自動化領域產(chǎn)生了重大技術變革,現(xiàn)代智能制造企業(yè)通過智能化的感知、人機互動、決策和執(zhí)行技術,實現(xiàn)了信息獲取、智能控制與裝備制造的深度融合。近年來工科高校普遍開展了面向能力產(chǎn)出的工程教育專業(yè)認證,其通用標準中規(guī)劃了現(xiàn)代工程師素質能力的12項畢業(yè)要求,引導高校制定有針對性的專業(yè)培養(yǎng)方案[1-3]。2019年,浙江科技學院電氣工程及其自動化專業(yè)通過了工程教育專業(yè)認證,在專業(yè)培養(yǎng)方案中開設了面向工業(yè)智能制造領域的“電氣控制與可編程控制器”核心課程,課程內(nèi)容涉及可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)基本原理及電氣控制系統(tǒng)設計方法,適用于智能制造領域的邏輯控制、過程控制和運動控制等工程實踐場景。

高校應用類課程教學存在一個共性特征,即其實踐教學環(huán)節(jié)均需要結合工程實際,構建一個綜合性強的實驗環(huán)境,以培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力[4-6]。然而真實的工業(yè)環(huán)境往往具有大體量、高成本、高消耗、封閉操作等特點,有時涉及高危環(huán)境,這與學校實踐教學中注重“穩(wěn)定、安全、兼容”的要求相矛盾[7-9]。在以往的PLC課程實踐教學中,通常采用簡易的實驗模擬裝置,但硬件模擬裝置的實驗環(huán)境與真實應用場景不符,不具備工業(yè)系統(tǒng)的典型特征,從而限制了學生對復雜工程問題的深入理解。因此,可采用虛擬仿真教學平臺實現(xiàn)安全高效且更貼近工業(yè)現(xiàn)場的理論和實踐教學。

虛擬仿真教學作為高校實踐性教學的一種新形式,融合了現(xiàn)代信息技術與實踐教學內(nèi)容,從人機交互、智能感知、虛擬現(xiàn)實、決策控制等多方面提升實驗項目的教學效果和吸引力,其教學過程直觀、便捷、靈活[10-12]。以“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”所采用的西門子-德普羅爾虛擬仿真平臺為例,該系統(tǒng)涵蓋了控制器、傳感器、執(zhí)行器等多種實體元素,以及工業(yè)通訊、控制算法等軟件元素,并涉及安全、能耗等多種技術和非技術因素,可充分支撐工程教育專業(yè)認證中對于“應用工程知識分析問題”“設計開發(fā)解決方案”“使用現(xiàn)代工具開展科學研究”以及“環(huán)境安全可持續(xù)發(fā)展”等方面的核心要求[13-15]。因此,虛擬仿真教學模式可為學生提供了一個安全可靠、簡單直觀的實踐環(huán)境,以便他們深入理解工業(yè)自動化系統(tǒng)從設計、測試到優(yōu)化的全過程,達到良好的教學效果。

1 智能制造實踐教學體系構建

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計劃,構建包含基礎能力培養(yǎng)、實踐能力培養(yǎng)和綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的三層遞進教學模式。教學過程持續(xù)3個長短學期,教學內(nèi)容由簡單到復雜循序漸進,并融入基于虛擬仿真平臺的實踐教學環(huán)節(jié)和競賽教學環(huán)節(jié),如圖1所示。

圖1 三層遞進式PLC實踐教學體系

1.1 理論教學中的基礎素質培養(yǎng)

PLC課程實驗環(huán)節(jié)主要采用經(jīng)典案例教學法,如表1所示。以智能制造生產(chǎn)過程中的典型邏輯和通用方案為例,設計由易到難的實驗任務,要求學生采用西門子博途軟件對目標任務進行編程,通過PLCSIM仿真功能驗證程序邏輯思路的正確性?；A教學旨在教授學生如何銜接理論知識與編程實際,為后續(xù)在虛擬仿真平臺上進行實踐與創(chuàng)新打下基礎。

1.2 實踐教學環(huán)節(jié)中的應用能力培養(yǎng)

實踐教學基于軟硬件結合的虛擬仿真實驗被控對象,如圖2所示。該平臺以西門子S7-1200/1500 PLC為控制核心,擁有“電梯實踐仿真”“三級液位仿真”“風力發(fā)電仿真”等多種仿真對象,分別涉及“離散自動化”“過程自動化”和“能源技術”等工業(yè)熱門領域,包含邏輯控制、過程控制與運動控制。以智能制造復雜工程問題為任務對象,訓練學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力,實現(xiàn)課堂理論教學與項目工程實踐的有效銜接。

圖2 三維可視化PLC虛擬仿真實踐平臺

1.3 競賽教學環(huán)節(jié)中的創(chuàng)新素質培養(yǎng)

西門子“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”和羅克韋爾“中國工業(yè)智能挑戰(zhàn)賽”是智能制造領域具有代表性的大學生學科競賽,重點考核學生自主研究、系統(tǒng)設計、分析調(diào)試以及協(xié)作創(chuàng)新的能力。依托虛擬仿真實踐平臺開展大學生學科競賽專項訓練,培訓內(nèi)容與競賽緊密關聯(lián),涉及PLC控制器、傳感器、驅動執(zhí)行器、通訊系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)等多種工業(yè)元素,并融入先進控制算法,可進一步提高參賽學生的工程實踐與創(chuàng)新能力,同時也培養(yǎng)團隊合作精神。系統(tǒng)模型、控制邏輯和評分系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實踐平臺競賽專項訓練

2 虛擬仿真實踐平臺教學實例

離散自動化電梯虛擬仿真實踐平臺是智能制造的一類典型復雜工程應用場景,包含經(jīng)典的電氣邏輯控制過程和優(yōu)化控制算法,并涉及到人機交互、安全節(jié)能、受眾體驗等非技術因素,與專業(yè)認證要求相匹配。考慮到項目任務的綜合性和復雜程度,將課程設計和競賽培訓劃分為“單任務分解”“多任務整合”和“群任務優(yōu)化”三個循序漸進的教學階段,教學環(huán)節(jié)設計如圖4所示。

2.1 單梯子任務分解

該實踐平臺提供了單部6層電梯的虛擬被控模型,通過以太網(wǎng)實現(xiàn)了編程環(huán)境、控制器以及被控對象三者之間的數(shù)據(jù)通信。指導學生使用“順序功能設計法”完成單梯上下運行、延時開關門控制、停層多級制動控制、樓層計數(shù)顯示和按鈕邏輯判斷等子任務功能,鍛煉學生面向單一目標任務的編程能力。由于分解后的各子任務之間不存在功能耦合,學生在編程過程中僅需關注單任務的實現(xiàn)方法,這就有效降低了初始調(diào)試過程的難度。

2.2 單梯多任務整合

給出隨機呼梯任務,要求學生以乘客乘梯需求為目標設計電梯運行流程,整理各子任務之間的邏輯關系并進行順序組合,以流程圖的形式撰寫設計文檔并編程實施。其中,電梯的呼梯觸發(fā)功能較為復雜,涉及隨機呼叫事件與電梯運行工況的耦合響應機制,充分考察學生的復雜邏輯分析能力。此外,仿真平臺可提供乘客客流測試模型,由后臺統(tǒng)計運行時間、運行能耗、故障信號觸發(fā)次數(shù)等指標并得出分數(shù),以評價學生程序的運行性能,實現(xiàn)可評價的閉環(huán)教學過程。

2.3 多梯群控流程優(yōu)化

在實現(xiàn)單部電梯功能的基礎上,通過虛擬仿真平臺提供的多部電梯群控模型,優(yōu)化群控算法策略使電梯被合理地調(diào)用,達到快速響應呼梯信號、提高乘客上下樓效率的目的。在群控策略的研究過程中,學生可針對電梯運行時間、乘客候梯時間和電梯能耗等因素構建最短時間尋優(yōu)、最短距離調(diào)度、最優(yōu)整體能耗等多目標決策模型,采用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制等智能控制策略設計綜合評價函數(shù),并通過隨機客流模型檢驗控制邏輯的安全性、可靠性與載客效率。其后臺評分結果可作為專業(yè)認證中實踐課程教學效果的量化評價指標。

3 教學效果分析

3.1 面向專業(yè)認證的工程實踐能力產(chǎn)出效果

智能制造虛擬仿真實踐中被控對象的工程模擬效果與真實對象相近,學生可在實踐中積極開展思考與討論,在反復調(diào)試、刷分的過程中激發(fā)興趣,收獲成就感。通過多個階段的虛擬仿真實踐訓練,學生能力的提升主要表現(xiàn)在兩個方面:①復雜工程問題解決能力。學生在完成課程任務后,不僅掌握了電氣原理、編程技能、控制策略和核心算法,又積累了工程經(jīng)驗,畢業(yè)后可直接將實踐成果無縫銜接應用于企業(yè)工程項目;②團隊協(xié)作能力。實踐過程中3人一組,對程序的功能模塊劃分、標準接口定義、多任務整合、調(diào)用流程優(yōu)化等子任務進行合理的團隊分配,以適應后續(xù)工程項目開發(fā)中的團隊協(xié)作需求。經(jīng)過連續(xù)三年的教學實施周期,學生對該課程的教學滿意度情況逐年上升,反饋的教學質量評價分如圖5所示。

3.2 學科競賽取得的成果

通過課程期末考試、課程設計成果評定和競賽測試選拔,遴選學生參加西門子“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”和羅克韋爾“中國工業(yè)智能挑戰(zhàn)賽”。參賽以來,學生在該實踐教學模式的培訓下獲得了較多成績,如“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”全國初賽二等獎、三等獎,“中國工業(yè)智能挑戰(zhàn)賽”國家一等獎3項、二等獎4項等,參賽學生憑借實踐和競賽的經(jīng)驗積累,在就業(yè)面試和研究生復試答辯中脫穎而出。

4 結語

結合先進虛擬仿真技術開展遞進分段式可編程控制器課程實踐教學,學生受益面大,興趣濃厚,自主學習能力增強,實踐創(chuàng)新能力顯著提高,同時各教學環(huán)節(jié)的安全性也得到充分保障。該多層次實踐教學體系可靈活拓展教學內(nèi)容的廣度和深度,提升實踐教學的質量和水平,實現(xiàn)從課程支撐、能力整合到評估量規(guī)的工程教育認證閉環(huán)成果導向機制。該教學模式經(jīng)過完整實施周期后,學生的工程素養(yǎng)和實踐能力顯著提高,畢業(yè)時具備的知識能力能夠精準契合智能制造企業(yè)的用人需求。