高职高专港口起重运输机械虚拟实验室教学平台构建

浙江交通职业技术学院机电与航空学院 章正伟

高职高专港口起重运输机械虚拟实验室教学平台构建

浙江交通职业技术学院机电与航空学院 章正伟

由于起重运输机械的设备重，占地空间比较大，起重运输设备类型多、设备投资大，如果各种起重运输设备都要购买的话，设备建设经费和场地都有问题。因此，构建港口起重运输机械虚拟实验室教学平台就非常有针对性地解决了这个问题。本文从港口起重操作虚拟仿真训练系统、港口起重输送机械课程涉及的主要整机以及部件三维动画资源库以及港口起重输送课程网络资源三个方面进行开发和建设，从而构建港口起重运输机械虚拟实验室教学平台。

港口起重输送机械 虚拟 教学品台 构建

港口起重运输机械课程是港口机械专业的专业核心课程，也是国家职业资格《起重机械设备维修人员》重要考核模块之一。课程内容包括驱动装置、钢丝绳及卷绕装置、取物装置、制动装置、减速器、联轴器、安全装置、起升机构、运行机构、回转机构、变幅机构、金属结构、门机、集装箱起重机、带式输送机、斗式提升机、埋刮板输送机、螺旋输送机、气力输送机等。要求学生掌握港口起重运输机械的各个零部件以及各个机构的工作原理和零部件、机构的维修保养方法。由于起重运输机械设备重，占地空间比较大，起重运输设备类型多，设备投资大，如果各种起重运输设备都要购买的话，设备建设经费和场地都有问题。因此，构建港口起重运输机械虚拟实验室教学平台就非常有针对性地解决了这个问题。

笔者所在院校的港口物流设备与自动控制专业教研室的课题组成员在港口起重操作虚拟仿真训练系统、港口起重输送机械课程涉及的主要整机以及部件三维动画资源库以及港口起重输送课程网络资源三个方面进行开发和建设，从而构建港口起重运输机械虚拟实验室教学平台。

一、港口起重操作虚拟仿真训练系统虚拟实验室教学平台构建

港口起重机综合模拟系统Port Crane Simulation System（以下简称为PCSS）是以先进的教学理念，结合港口起重机操作与电气控制系统教学实训的需要而开发的综合训练模拟系统。该系统采用最前沿的软件开发、网络通讯、系统仿真、虚拟现实、电气控制、起重机动力学、起重机运动学等多学科技术，将港口大型起重机操作控制与教学训练功能结合在一起，突破了传统的驾驶操作与电气检修分离的教学局面，实现了学员驾驶训练与电气检修训练的一体化功能，使学员更深刻、更全面地掌握起重机实际工作原理和操作控制方法。系统中还融入了先进的视景仿真技术和强大的数据管理功能，从而构成了一个具有设备操作、故障检测、故障维修、教学管理为一体的综合模拟教学平台，满足了起重机专业的现代化教学要求，提高了我国高等职业教育的科技水平。

港口起重机综合模拟系统分为四大部分：司机操作及视景模拟系统、教师端控制系统、起重机电气模拟系统、电气故障检测及维修系统。整体组成结构示意如图1：

1.司机操作及视景模拟系统司机操作及视景模拟系统。司机操作台可以采集学员操作模拟数据，并将其转换成数字信号上报给3D视景服务器，3D视景服务器接收这些操作信号驱动起重机运行。

图1 港口起重机综合模拟系统整体结构图

3D视景服务器包括含力学模拟模块，音效模拟模块，驱动信号处理模块和3D图形计算模块。力学模拟模块会对虚拟场景中的所有元素（如起重机、地面、风力等）进行真实的物理力学运算。音效模拟模块会对场景中的所有声音包括：起重机的运行声音，港口环境声音等进行模拟。驱动信号处理模块会对司机操作台上报的学员操作数据进行处理从而驱动起重机运行。同时，联动台上的司机操作的IO信号都会以网络方式上传至教师端控制系统上。

2.教师端控制系统司。教师端控制系统对学员训练进行管理。教师可以在该系统上设置学员当前训练的起重机型和训练任务，也可以对电器柜的故障类型进行设置。学员训练完成后，教师可以查询学员的训练数据和训练成绩。

教师端联接司机操作及视景模拟系统，并选择训练机型；启动训练机型后，可动态设定整个机构的机械物理参数，作业环境状态，场内设备的布局，实时环境天气及时间，记录学员操作时的状态等；连接电器柜PLC设备，进行CMS监控操作；系统启动完成后，可在系统上查看所有相关的，起重机硬件状态，起升、行走、回转机构的控制流程，查看所有设备的组态信息。教师可动态设定模拟故障，可实时查看故障列表及跟踪状态，实时记录学员的维修故障操作。同样，也可以使用PLC编程工具进行自定义编写PLC控制内容，通过PLC可编程控制器输出数字控制信号，采用工业网卡，通过网络，建立上位机和PLC的实时交互数据通讯。通过PLC传输的操作台控制命令控制视景模型运行，通过上位机传输的数学模型数据控制PLC和操作台的反应。

3.起重机电气模拟系统。系统中包括真实的起重机电路，由电源、PLC、变频器、电机等实体设备组成。系统正常工作时，“系统1”司机操作系统中的实际和都会实时反映至“系统4”的实体电路中，起重机的行走构、起升机构、变幅机构均会实时联动。

4.电气故障检测及维修系统。该子系统与电气模拟系统硬件组成为一体，由模拟主机、仪表显示屏（左）、触控操作屏（右）三部分组成，在系统运行时，电气故障检测及维修系统承担了模拟仪表、部分模拟组态显示、学员维修区等功能。

二、港口起重输送机械课程涉及到的主要整机以及部件三维动画资源库平台构建

港口起重输送机械课程分为三个模块。模块一是起重机械、模块二是集装箱机械、模块三是输送机械。分别对三个模块的设备整机和部件进行了资源库建设，如图2所示。

ISSN2095-6711/Z01-2015-06-0105