智能制造虚拟实验系统设计与集成

白瑞峰, 韩洪洪, 于赫洋, 房朝晖

(天津大学 自动化学院, 天津　300072)



智能制造虚拟实验系统设计与集成

白瑞峰, 韩洪洪, 于赫洋, 房朝晖

(天津大学 自动化学院, 天津300072)

为解决大型综合实验平台教学设备不足的问题,将虚拟仿真技术、互联网技术与学科专业深层融合,通过Visual Components构建了汽车智能制造系统冲压、焊接、喷涂和组装等产线工艺模型,采用PLC与虚拟对象的通信,实验系统与门户网站集成共享。由贴近工程实际的3D虚拟对象代替实际生产线,基本解决了大型综合实训平台的建设难题。该实验系统推进了实验教学信息化建设和实验教学资源开放共享。

智能制造； 虚拟仿真实验； 实验室建设； PLC

为落实卓越工程师教育培养计划、全面提高自动化专业大学生的工程素质,具有工程背景的大型综合实践教学越来越受到高校的重视[1]。

在自动化领域的生产实践中,PLC(可编程控制器)因其操作简单、可靠性高、功能强,在智能制造生产线中得到了广泛的应用。在国外,意大利卡塔尼亚大学工程学院[2]、华盛顿大学[3]等一些顶尖高校均建立了开放的实验教学平台；在国内,清华大学设计了以汽车变速箱装配生产线为背景的实验教学平台[4]、华中科技大学设计了基于PLC的智能交通实验教学平台[5]。但是,基于PLC的综合实验平台存在占用实验场地大、设备台套数多、智能制造实践平台成本高以及教学过程中的安全问题,这是国内很多高校亟待解决的问题。

完全依靠实体设备的实验教学模式,会制约对学生创新意识、创新能力的培养,在电气信息类相关专业中,在智能制造生产线控制系统设计等教学实践环节方面尤为突出。天津大学电气与自动化虚拟仿真实验教学中心将虚拟仿真技术和互联网技术应用到智能制造控制系统设计的实践教学中,突破了实验教学环节中设备、场地、安全性等因素的限制[6],也解决了涉及大型综合、高危、高能耗、过程不可及和不可逆实验教学课程的开设问题。

1　汽车智能制造虚拟实验系统方案设计

本系统选用三菱Q系列PLC,包含Q03UDE型CPU、QX40输入模块、QY10输出、伺服模块、CC-LINK模块[7]等。利用编程软件GX-WORKS2对PLC进行编程。汽车制造智能生产线实验系统包括服务器、三菱PLC模块、汽车制造生产线3D虚拟对象(见图1)。利用Visual Components(VC)搭建的虚拟对象代替了机械对象,可与真实的PLC进行数据交互。实验系统与服务器的网络管理平台集成,使学生可通过互联网远程完成实验项目。

图1　智能制造虚拟实验系统结构图

2　生产线虚拟对象模型构建

根据现代化汽车生产线的生产工艺以及智能制造理念[8],利用3D虚拟仿真软件VC搭建了冲压、焊接、喷涂和总装的工艺模型(见图2),实现工厂内部的整体可视化。学生可调用已设置好的虚拟对象进行生产线的布局规划及工艺设计,同时该虚拟环境支持SolidWorks,允许添加自主设计的模型。

可以用真实的PLC控制虚拟对象。学生通过编写梯形图程序,实现对虚拟对象电机、阀门、机械手等执行机构的控制；利用MES模块[9],实现PLC和生产线以及数据库之间的通信,完成数据交互。此外,学生还可访问服务器端的组态软件,设计生产线的中央监控系统[10],完成各工艺联控、信息管理、访问管理和可视化监控等实验内容。

图2　汽车虚拟智能生产线

3　PLC与虚拟对象的通信

数据通信采用三菱QJ71MES96型MES模块。通过MES Interface Function Configuration Tool软件,进行信息链接功能所必需的各种设置,包括系统设置、访问目标设置、软元件标签设置、服务器服务设置及作业设置等。信息链接功能设置后,需通过DB Connection Service Setting Tool环境进行DB链接设置,使MES模块与数据库成功通信,从而保证采集到的数据传送到数据库中并保存。通过对MES模块的设置,数据库中将会实时保存PLC中的参数,实现对生产线的动态监控。MES模块在此生产线的信息传递中有着非常重要的作用。

MES通信模块的设置完成后,还需进行PLC参数设置,包括I/O分配设置、PLC模块选择、添加模块等。用梯形图语言编写控制程序,并对用到的软元件添加注释、全局标签。将梯形图程序写入PLC模块,当虚拟生产线运行时,PLC将可按照程序对各分站进行控制。

4　管理与共享平台及实验系统平台的集成

4.1管理与共享平台

为持续推进实验教学信息化建设,推动实验教学改革与创新,更好地服务广大学生,天津大学成立了电气工程与自动化虚拟仿真实验教学中心,并设计完成了虚拟仿真实验教学管理与共享平台(见图3)。

图3　管理与共享平台网站门户

虚拟仿真实验教学管理和共享平台是基于J2EE架构的B/S结构,系统用户角色包括学生、教师、教务员、实验室管理员等。系统依托校园网络、虚拟实验技术和网络信息技术提高实验实践教学水平。

虚拟仿真实验教学管理和共享平台包括虚拟实验中心门户网站、实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、数字化资源管理、师生互动交流和系统管理等子系统。

该平台覆盖电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电机与电器、理论电工与新技术、控制科学与工程、检测技术与自动化装置、模式识别与智能系统共8个学科,具有从基础实验到专业综合实验再到学科创新3个层次的实验教学内容。此外,该平台遵循资源共享、重视科研成果向教学的转化、注重校企合作,让更多的本科生提前了解学科前沿的成果。虚拟仿真实验教学平台的搭建对全面提升学生电气与自动化工程技术的综合素质具有重要意义。

4.2实验系统集成

为了对虚拟教学资源集中管理,并实现使优质教学资源网络共享,将实验系统集成到管理与共享平台上。Visual Components软件安装在实验中心的专用计算机上,需要版权认证；而管理与共享平台设置在信息管理中心的大型服务器内。利用虚拟化技术,对服务器进行整合,提高基础设施利用率,充分挖掘硬件资源的潜在价值。

虚拟化技术[11]是基于应用/服务器计算架构,采用类似虚拟终端的技术,把应用程序的人机交互逻辑与计算逻辑隔离开来。随着对虚拟化技术研究的逐渐深入和拓展,形成了不同层次的虚拟化技术[12],其中主要包括硬件抽象层、操作系统层、编程语言层的虚拟化技术。在国际上,较早推出应用虚拟化产品的是Citrix公司,国内金万维、云舒3C和科迈等公司也分别推出具有代表性的产品。综合考虑成本与使用效果,选用了金万维公司的E-Soon Link应用虚拟化环境,在服务器和VC专用电脑上分别安装系统终端与客户端的E-Soon Link环境,在完成端口映射、DDNS解析、程序发布、许可证配置、安全配置、集群管理、负载均衡策略后,用户可通过手机及电脑访问服务器,进而访问虚拟实验资源。

5　结语

以培养学生的创新设计能力和综合设计能力为教学目标,紧密结合学科及工业发展前沿技术的PLC智能制造生产线实践平台,应用虚拟化技术解决了大型、综合、高消耗实验装置的建设难题,降低了设备的维护成本,使被控对象易于改造,便于实验教学环节的拓展与再开发,也突破了承载人数的限制,扩大了受益面。利用虚拟化技术将平台共享到互联网,进一步突破了场地限制、扩大了共享范围。该虚拟实验环境的构建也充实了本科生实践教学内容,丰富了工程教育培养手段,满足了多专业、多层次学生创新实践需求。

References)

[1] Lozano C, Jindrich D, Kahol K. The impact on musculoskeletal system during multitouch tablet interactions[C]//In Proc.CHI 2011.ACM Press,2011:825-828.

[2] Pitrone Nicola. Computer based tools for distribution network automation[C]//6th IASTED International Conference on European Power and Energy Systems. 2006:161-166.

[3] Richter D. Infusing an interdisciplinary automation experience in engineering technology education[C]//114th Annual ASEE Conference and Exposition.2007:175-180.

[4] 黄雪梅,肖田元.智能可重构汽车变速器装配生产线制造系统研究[J].机械科学与技术,2006,25(4):403-406.

[5] 冯清秀,夏俊力.基于OpenGL的交互式PLC虚拟实验系统[J].实验室研究与探索,2011,30(2):47-50.

[6] 苗红霞,齐本胜.PLC控制技术实验教学改革研究与实践[J].实验技术与管理,2010,27(3):136-139.

[7] Noguchi S, Suzuki K, Chino S, et al. FDT Technology for CC Link Network[C]//Sice Annual Conference,2011：1560-1565.

[8] 刘昭斌,刘文芝,顾才东,等.基于智能制造系统的物联网3D监控[J].实验技术与管理,2015,32(2):89-93.

[9] 程楠溪.基于J2EE的制造行业MES系统的设计与实现[D].长春:吉林大学,2015.

[10] 吴作明.工业组态软件与PLC应用技术[M],北京:北京航空航天大学出版社,2007:3-6.

[11] 董焱.基于虚拟化技术的实验教学中心环境构建[J].实验技术与管理,2011,28(3):299-302.

[12] 陈小军,张璟.虚拟化技术及其在制造业信息化中的应用综述[J].计算机工程与应用,2010,46(23):25-30.

Design and integration of virtual intelligent manufacturing experimental system

Bai Ruifeng, Han Honghong, Yu Heyang, Fang Chaohui

(School of Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to solve the problem of the shortage of teaching equipment in the large-scale comprehensive experimental platform, the virtual simulation technology, and Internet technology were integrated deeply with majors. Through the Visual Components environment, the virtual object of production line was set up, taking car intelligent manufacturing as an example, the construction of process models such as car spraying and assembly, the communication between PLC and virtual objects, and the integration of the experimental system and the portal site were completed. The control of virtual production line by PLC and network sharing of the experimental system were realized. The actual production line was replaced by the 3D virtual object, which was a great deal to solve the problem of large-scale comprehensive training platform. Because of the experimental system’s network sharing, it avoided the limitation of the experimental site to students, and promoted the information construction of experimental teaching and the open sharing of experimental teaching resources.

intelligent manufacturing; virtual simulation experiment; construction of laboratory; PLC

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.033

2015-12-03

2014年天津大学实验室建设与改革项目；2014年天津大学本科实验教学改革与研究项目；天津大学大学生创新训练项目

白瑞峰(1987—),男,天津,硕士,工程师,主要研究方向为控制科学与工程、阻抗测量.

E-mail：bairuifeng@tju.edu.cn

TP23

A

1002-4956(2016)6-0129-03