大型教学软设备的开发与应用

于晓云, 郭海林

(辽宁机电职业技术学院 自动控制工程系, 辽宁 丹东 118009)

在信息技术飞速发展的时代,我国先后提出了《中国制造2025》、“物联网+”和“供给侧改革”等多项战略举措[1-2],旨在迅速加入世界先进制造业强国的行列。我国如何加快新型工业化进程,如何迅速提升教育质量、加快高技术人才培养、推进研发创新,成为中国职业教育亟待解决的问题,也是实现中国由制造业大国到制造业强国转变的首要任务。

大型复杂教学设备的购置和使用是提升高校师资队伍教学科研水平、培养高新技术人才的主要资源保障。目前很多院校采购的大型设备技术复杂、集成化程度高且十分昂贵。一些院校提出提高大型教学设备利用率的解决方案,例如增加大型设备管理动力学机制[3]、实行大型仪器设备网络化管理[4]以及建立大型科学仪器共享平台[5]等；而让大型仪器设备应用于教学也是提高大型教学设备利用率的重要途径。本文通过开发一种与真实大型复杂教学设备配套的软设备,给学生提供一种复杂技术的全新学习方法。

1 大型教学设备配套软设备技术方案

为振兴东北老工业基地,提升辽宁省新型制造业转型升级发展,辽宁省教育厅2017年批准在丹东地区建设以辽宁机电职业技术学院为核心的“仪器仪表及自动化技术公共实训基地”,引入很多大型教学仪器设备。这些设备为科学研究、人才培养、技术服务提供了坚实的基础。与大型教学仪器设备配套的软设备的开发思路,是按照实际教学设备的功能把各个单元进行“软拆分”,然后设计制作各功能单元的仿真软设备,从而实现大型教学仪器设备软件系统训练与硬件系统训练的分离,使得教学实施具有可操作性。

1.1 软设备系统构成

所谓“软设备”是相对实际的大型教学仪器“硬设备”而言的。软设备系统采用触摸屏,以PLC作为系统的控制核心,从而组成简单的低成本软设备系统开发板。通过该开发板,利用触摸屏嵌入式组态技术中的代码二次开发功能,对各工作站的实际动作进行虚拟仿真,设计出与真实设备配套的仿真软设备。

触摸屏设计的仿真画面结构形式与实际工作站基本一致。以整套生产线上的供料单元开发过程为例,该单元机械本体由顶料气缸、推料气缸、管形料仓、出料台、待加工工件等主要部件组成,如图1(a)所示。软设备的仿真页面设计与此结构保持一致,同样由顶料气缸、推料气缸、管形料仓、出料台、待加工工件等主要部件组成,如图1(b)所示。仿真页面中有与实际工作站一致的7个检测传感器,分别为顶料气缸前位、顶料气缸后位、推料气缸前位、推料气缸后位、缺料检测、无料检测、料台检测传感器。每个传感器都设计有与实际相同的状态指示灯,红色代表接通状态,白色代表非接通状态。软设备系统在结构和功能上与实际系统的一致性,为工程化和标准化教学过程中技能训练提供了有效的技术保障。

图1 供料单元结构图

1.2 软设备的核心算法

利用触摸屏嵌入版组态软件设计脚本程序,实现软设备系统画面的各运动部件的动作过程及各传感器输出信号状态变化,例如气缸伸缩、工件下落、水平移动、传感器指示灯变化等。系统工作时,学生作为用户练习编写PLC程序[6],软设备系统则实时读取PLC的数据,根据所读取的数据控制各部件的动作,如气缸水平移动、垂直移动、工件下落,而后再将软设备系统中的各个传感器信号写入PLC中,脚本程序每间隔100 ms运行一次。脚本流程设计如图2所示[7]。

1.3 交互式动画演示功能

大型教学仪器设备涉及的高新技术很多,大多比较复杂,学生在练习编写控制系统程序时,需要了解详细的系统工作过程。传统的语言在描述系统工作过程和控制要求时,不但语句冗长难懂,而且会产生理解歧义；如果采用实际设备运行演示的方式,又会因为大型设备运行周期长,产生各功能单元需要长时间等待,且无法实现反复观看等诸多教学问题。

图2 脚本程序流程设计

为解决上述问题,软设备的设计是将整套教学设备按功能单元进行拆分,拆分后的各功能单元单独设计交互式虚拟动画。在各虚拟画面中,学生可以自主、反复操作和观看设备工作过程,而且可以实现系统单步控制动画演示和各运动部件的单独控制运行动画演示,有助于学生更好地理解各单元工作过程[8-9]。

以图3所示的供料单元虚拟工作画面为例,学生只需单击“供料动画开始”按钮,在没有PLC程序控制的情况下,系统就会自动的按照正确的工作过程演示运行[10]。学生也可以通过单击“供料顶料气缸”按钮,单独控制某个气缸工作,反复观看其工作过程。演示运行结束后,由学生自行点击“供料动画结束”按钮,则演示功能结束,演示按钮消失,学生开始进入自己编程控制系统工作的阶段[11]。

图3 供料单元动画演示画面

1.4 软设备故障提示功能

大型设备在教学实施过程中,由于使用者通常是初学者,因此他们在编程和调试过程中不可避免会发生错误,有些错误会导致设备严重损坏,不但造成很大的经济损失,也会影响教学的正常进行。这个问题也是导致大型设备利用率低,甚至无法应用于教学的主要原因之一。然而,对于工程技术人员来说,遇到故障和问题是工程师增长实践经验最好的机会,不能因为害怕设备损坏而不允许学生调试。为解决这个棘手的问题,提供一种既可以实际练习,使学习者历经各种故障问题,但又不损坏设备实体的教学方式,软设备的故障提示功能就凸显出很大的优势。

以供料单元为例,在运行过程中,如果学生编写的PLC控制程序导致仿真画面中的两个气缸(顶料气缸和推料气缸)运行不正确,则仿真操作页面出现故障提示。在实际工作站中，此情况属于危险故障,此时顶料气缸未伸出,推料气缸已伸出,在实际工作站中会出现卡料的情况。

在软设备的设计过程中,对于各种故障，可以设置生动趣味的报警提示方式,增加学生学习过程的有趣性和有效性。

2 应用效果

由辽宁机电职业技术学院承担的辽宁省“仪器仪表及自动化技术公共实训基地建设”项目中,“软设备”技术发挥了很大的作用,其中“柔性生产线自动化技术实训室”采用该技术,只花费很少的资金就制作了20套与实际柔性生产线设备配套的软设备。在实践教学中,可以安排一个班级的学生同时学习操作相同的工作单元,学生在同一个“软设备”工位上可以依次完成整套生产线上所有工作站的训练。“软设备”训练阶段结束后,学生同时分散到实际生产线的各个工位,各组同时进行不同内容的训练。

由于有前期“软设备”训练的基础,学生在实际工作站进行调试时,故障率大大降低,并且未发生过设备损坏事故。软设备的应用,使一个班的40名学生可以同时进行复杂技术训练,取得了很好的训练效果。

“软设备”技术在实训室建设中节省了大量硬件购置资金和实训场地,使得大型自动化设备应用于实践教学成为现实。教学过程中设备损坏率和维修成本大大降低,很好地保障了实训教学的正常进行。该技术的应用为复杂自动化相关技术的训练提供技术保障，解决越来越多的工科类院校采购的大型自动化设备无法应用于实际教学中的问题。

3 结语

“软设备”技术的互动性、逼真性和安全性带来了仿真教学与实践操作的良好衔接,在今后的技术发展过程中必将成为实训室建设和人才培养的重要手段。