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一套面向機電類專業的系統化虛擬仿真實驗平臺的研發

時間:2020-09-02 來源:電氣開關 本文字數:5677字
作者:呂明珠,劉世勛 單位:遼寧裝備制造職業技術學院自控學院 中認(沈陽)北方實驗室有限公司

  摘要:為了解決職業技術院校實驗教學資源不足、教學效果不佳等問題, 提高學生的實踐技能, 培養綜合素質全面的復合型人才, 在原有的電氣控制與PLC、液壓與氣動、自動化生產線等實驗課程的基礎上進行了改革, 設計開發了一套面向機電類專業的系統化虛擬仿真實驗平臺。它集選件、布線、裝配、調試、維修于一體, 涵蓋多門專業課程的理論知識, 可供課上集中實驗教學和課下模擬仿真練習使用。通過層次化的案例設計, 讓學生逐漸成為實驗過程的主體。實踐效果表明, 該虛擬實驗平臺可以調動學生的主動參與性, 幫助學生快捷領悟核心專業技術的操作要領, 提高解決工程實踐問題的能力和科技創新的潛力。

  關鍵詞:機電專業; 虛擬仿真實驗平臺; 實踐課程改革

  Abstract:

  This paper proposes a systematic virtual simulation experiment patform for machanotronocs major, based on the reform of some previous antomatic control experiments like electrical control and PLC, hydraulic and pneumatic, automatic paroductionn line, etc., aiming at solving the problem of insufficient experimental resources and poor teaching effct in vocational and technical colleges, improving the studengts' pactical skills and cultivationg all-sided comprohensive talents. The proposed plateform integrates selecting, wiring, assembling, debugging and repairing, and involves theoretical knowledge of many professional coursea. The platform can be used to concentrate on experimental teaching in class and simulation practice out of class. Through the hierarchical design of the case, so that students gradually become the main body of the experimental process. Pratical results show that the patform can mobilize the students' active participation, having a rapid grasp of the key technology of the operation, enhance the ability of solving engineering practical problems and the potential of technological innovation.

  Keyword:machanotronocs major; virtual simulation experiment patform; experimental reform;

目錄

  1引言..............................................................1

  2虛擬仿真實驗平臺的總框架..............................................................2

  3基礎實驗案例..............................................................3

  3.1傳統的電氣控制方式繼電接觸器控制..............................................................4

  3.2液壓與氣動控制實驗..............................................................4

  3.3 PLC控制實驗..............................................................4

  4綜合實驗案例..............................................................5

  4.1基于氣動-PLC的典型工業控制實驗..............................................................6

  4.2典型生產加工流程控制與優化實驗..............................................................6

  5學習效果反饋..............................................................7

  6結束語..............................................................8

  文內圖表..............................................................9

  圖1虛擬仿真實驗內容的總框架..............................................................10

  圖2三相異步電動機的正反轉控制連接效果圖..............................................................10

  圖3自動換向回路控制系統..............................................................10

  圖4水塔水位控制的三維模型圖..............................................................10

  圖5水塔水位控制的裝配圖..............................................................10

  圖6氣動機械手控制系統原理框圖..............................................................10

  表1學習效果和學生反饋情況調查..............................................................10

  參考文獻..............................................................12

系統化虛擬仿真實驗平臺

  1引言

  隨著工業自動化程度的不斷發展, 實踐能力強、創新思維活的人才更容易在未來的職業生涯中脫穎而出[1].而目前職業院校的許多專業課程仍然保留著理論為主, 實踐為輔的傳統教育模式[2], 少學時的實驗教學僅能使學生被動地完成理論知識的驗證, 而對他們的實踐能力和創新能力很難有所提高[3].

  近年來, 許多職業院校針對實踐性強的課程進行了改革, 但由于受到設備、場地、師資條件的限制仍然沒能根本性地解決問題[4,5].以我校機電專業為例, 有些專業核心課程如"電氣控制與PLC"、"液壓與氣動"、"自動化生產線"等, 雖然采用了理論與實踐一體化的教學方式, 但由于實驗基地建設滯后, 實體設備有限, 學生只能4~5人共用一臺設備進行練習, 而教師為了完成基本的教學任務, 往往是安裝好設備后提前布線, 學生只能進行簡單的編程操作, 不會接觸到實物的裝配、硬件的組態、系統的調試等環節, 學生常感到枯燥難懂, 缺乏學習的主動性。另一方面, 單一的實驗過程讓本來完整的教學體系變得支離破碎, 使各門課程的實驗成為孤立的教學, 缺乏學科之間的內在聯系, 學生很難把零碎的實踐技能融會貫通[6].

  為了解決以上問題, 改善教學效果, 提升學生的綜合實踐能力和創新能力, 我們借助遼寧遠程教育協會的科研項目, 將我校機電專業作為試點, 采取實驗單獨開課的方式, 構建一個與工程實際聯系緊密的多層次、系統化、開放性的綜合實驗體系, 并引入現代信息化的教學手段, 設計了與實體實驗教學共依共存, 相互補充的虛擬仿真實驗教學平臺。虛擬仿真實驗平臺的建立不僅緩解了教學資源的不足和師資人員的短缺, 而且還可以進行高成本、高消耗、高風險的綜合性實驗項目, 達到和工程實例高度一致。由于虛擬仿真平臺不受時間和空間的限制, 使每一名學生都可以親身參與實驗中的每一緩解, 如選件、布線、裝配、編程、調試、排故等。同時, 實驗內容的設計采用模塊化結構, 涵蓋多門核心課程的理論知識, 將原來分散的實驗理念重新整合到一起, 實現了知識框架的連續性, 增強了學生的自主學習意識。此外, 學生可以發揮他們的想象和創新意識, 極大地激發了學生的學習興趣, 改善了教學效果, 讓學生在實踐中汲取經驗, 解決問題, 掌握工程技術人員必備的知識和技能, 提高了學生的自主探究能力和創新實踐能力。

  2 虛擬仿真實驗平臺的總框架

  虛擬仿真實驗教學項目包括基礎實驗和綜合實驗兩部分, 總體框架如圖1所示。

  基礎實驗以模塊化的形式劃分了幾個基本控制項目, 目的是培養學生具備機電控制常用元器件的認知能力, 學會從識別到選用, 從基本圖形符號的辨識到原理圖的識讀, 從控制元件的布線到回路的裝配, 從典型回路的安裝到整體系統的調試, 從簡單回路的分析到復雜回路的設計等。在整個實驗過程中, 運用分層遞進式的設計思路, 使學生逐漸加深對機電行業控制方式的理解。由于虛擬平臺里的元件庫均與實物一一對應, 學生可以建立很強的感性認知, 不再覺得理論知識晦澀難懂, 為下一步的綜合實踐打下堅實的基礎。

  圖1 虛擬仿真實驗內容的總框架 

  綜合實驗是將所學的基礎知識化零為整, 不再片面、孤立地學習某一門課, 而是考查學生綜合運用知識解決工程實際問題的能力, 從任務的布置、回路的設計與裝配、系統的調試與排故到成果驗收, 均由學生自主完成, 教師只是學習任務的引導者, 而學生才是完成任務的主體。在教學方法上, 可以采用角色扮演法, 教師是"管理者", 學生是"執行者", 雙方可簽訂項目合同, 并在規定的時間內上交成果;教師也可以建立一套驗收評價體系, 針對項目完成的質量進行打分和點評, 學生可以自主選擇合作的"搭檔", 并進行任務分工, 實現個體之間的優勢互補, 組間可以互相點評和學習。為了讓學生更好地熟悉工業現場的檢測和維修方法, 平臺中還設計了萬用表、鉗形電流表等虛擬儀器, 輕松實現了在線監控和故障檢測。通過綜合實驗環節的實施, 使學生在自主學習的過程中逐漸提高對機電一體化控制系統的裝配、故障診斷、檢測與維修、編程與調試的能力, 養成良好的職業素養和團隊協作精神, 適應未來的各種環境。

  3 基礎實驗案例

  依據國家職業標準對機電專業學生具備的職業技能的要求, 結合現階段機電應用領域的實際需求, 我們涉及了一系列有代表性的實驗案例, 充分發揮了虛擬實驗平臺的低成本、零損耗、通用性強的特點[7].

  3.1 傳統的電氣控制方式---繼電接觸器控制

  目的是讓學生掌握常用低壓電器的選擇和使用, 熟悉電動機控制電路的裝配方法, 理解傳統控制方式在布線和安裝中遵循的規范[8].  以三相異步電動機的正反轉控制為例。首先, 學生可從元件庫中選擇所需器件, 交流接觸器2臺, 熱繼電器1臺, 控制開關1個, 熔斷器2組, 按鈕1組, 三相異步電動機1臺。連接效果圖如圖2所示。

  圖2 三相異步電動機的正反轉控制連接效果圖  

  教學環節實施:從電氣識圖入手, 讓學生根據電氣原理圖選擇合適的器件, 再進行組裝和調試, 并用虛擬儀表檢測控制回路連接的正確性和可靠性, 最后連接電源, 系統運行, 完成控制任務。

  3.2 液壓與氣動控制實驗

  目的是讓學生加深對液壓與氣動元件的認識和理解, 掌握液壓與氣動控制系統的組成、基本原理和一般的調試方法[9].

  以自動換向回路為例。所需元件有液壓缸1個, 三位四通電磁換向閥1個, 溢流閥1個, 液壓泵1臺, 交流接觸器5臺, 繞線式電動機1臺。

  實驗基本要求:學習常用液壓與氣動元件的功能、結構和應用;學會獨自搭建基本回路;能利用虛擬壓力表測量回路的動態數據;能根據測量數據繪制系統性能曲線。控制回路連接情況如圖3所示。

  3.3 PLC控制實驗

  目的是讓學生掌握PLC基本指令、功能指令的應用, 能用PLC對簡單工控過程進行程序設計[10].本實驗平臺提供三菱和西門子兩大主流的PLC且自帶編程軟件, 無需額外安裝, 可通過"編輯程序"、"導入程序"等操作完成地形圖的編寫和下載。

  圖3 自動換向回路控制系統  

  教學設計思路:將工業生產中的某一環節分離出來, 經過簡化處理成為一個控制任務, 學生根據控制要求先進行PLC的選型, 然后進行I/O地址分配和硬件接線, 在進行梯形圖的編制, 下載和調試。

  圖4 水塔水位控制的三維模型圖  

  以水塔水位裝置控制為例, 用三菱PLC完成控制任務。該實驗的三維模型圖如圖4所示, 電路裝配圖如圖5所示。

  4 綜合實驗案例

  4.1 基于氣動-PLC的典型工業控制實驗

  目的:提高學生解決工業控制實際問題的能力。案例:以基于PLC的氣動機械手控制為例。

  要求:設計氣動控制回路并進行原理圖的繪制, 根據設計好的氣動回路選擇PLC的型號, 并完成地址分配和硬件接線, 編制梯形圖程序, 并進行調試。為保證系統的可靠運行, 還需設置一個超程報警燈和手動復位按鈕。如圖6所示為氣動機械手控制系統原理圖。

  4.2 典型生產加工流程控制與優化實驗

  目的:使學生熟悉一個完整的幾點生產流程。案例:裝配流水作業生產線仿真模擬。

  要求:靈活運用幾點控制的理論與方法處理生產系統的設計、規劃和優化;通過多臺PLC之間的通信, 實現系統各分站之間的集中管理、分散控制;分析并解決企業生產管理中的一些實際問題, 為今后的畢業實習和工作打下良好基礎。

  圖5 水塔水位控制的裝配圖  

  圖6 氣動機械手控制系統原理框圖  

  5 學習效果反饋

  虛擬實驗平臺可以使學生在短時間內掌握多種實踐操作技能。在基礎實驗部分, 學生可單人操作, 逐漸提升個人職業素養和創新意識;在綜合實驗部分, 可分組操作, 著重培養學生的分工協作能力和團隊意識。學生在完成實驗后, 要以實驗報告的形式總結經驗、查找不足, 使學生在不斷實踐中得到成長和鍛煉。經過一段時間的推廣和應用, 我們對機電專業學生的學習效果進行了跟蹤調查, 得到的學生反饋情況如表1所示。

 

  表1 學習效果和學生反饋情況調查

  6 結束語

  本虛擬仿真實驗平臺不僅彌補了傳統實驗淺層教學的不足, 而且加強了學生的工程實踐能力和創新思維能力, 讓學生成為實驗過程的主體, 通過完成系統化的實驗任務, 拉近了機電一體化教學與生產實際的距離, 該虛擬平臺可為培養機電專業的高端技能型人才提供有力支撐。但過于理想化的虛擬實驗環境并不能完全替代實物實驗, 使用時應注意與實體實驗的靈活切換, 一方面利用虛擬實驗的快捷性使學生迅速掌握操作要點;另一方面還要利用實體實驗的真實性讓學生在實踐中查缺補漏, 從而實現虛實結合、相得彰益, 豐富了教學手段, 提高了教學效果, 也提升了學生的職業能力, 具有較好的推廣價值。

  參考文獻
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  原文出處:呂明珠,劉世勛.機電專業虛擬仿真實驗平臺的設計與開發[J].電氣開關,2016,54(06):23-26.
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