带式输送机虚拟实验系统在教学实际中的应用

寇子明 张展宁 李军霞 梁绍伟 杨丽凤 吴娟 高贵军

摘要：带式输送机有着非常复杂但很有效的结构和电液控制系统，如果在教学中加入对于这一环节的学习与研究，对于培养出全面的工程型人才能够起到非常关键的作用。结合目前的教学实践需求，提出了带式输送机的模拟实验系统和基于Automation Studio的虚拟实验系统。这两种系统能够让学生全面了解带式输送机的结构及其工作原理，也解决了教师的教学中缺乏实践环节的困扰。

关键词：虚拟实验系统；带式输送机；实践教学；混合仿真

中图分类号：G642.0；TH222 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0122-02

带式输送机作为现代工业散状物料运输的理想设备，目前已广泛用于火电站、港口码头、化工、煤炭和矿山等部门。尤其在煤矿企业，带式输送机已经成为煤炭生产的重要组成部分。它担负着煤炭或矸石从采掘工作面到煤仓或洗煤厂运输的重要任务，以运量大、输送线路适应能力强及连续运输等特点成为煤矿生产系统中的重要设备之一。这种体积大、速度快、运载量大的复杂机械有着成熟的工艺和非常高效的电液控制系统，如果在教学中加入对于这一环节的学习与研究，对于培养出全面的工程型人才能够起到非常关键的作用。

一、带式输送机虚拟实验系统的研究背景

由于带式输送机实物庞大，在实际教学中想使用到这一设备进行实物教学，对于高校的老师和学生都有很大的困难。因此，在传统教学模式下，学生很难接触到实物，导致学习时理论与实际脱轨。如果只依靠教材和媒体中的内容，会使得这一部分的知识晦涩难懂，给实际教学带来很大的困扰。

基于这一点，课题组提出并设计了带式输送机模拟教学系统，将实际用的带式输送设备等比例缩小，保留其核心机械结构及电液控制系统，建立了用于教学的模型。该系统可以模拟不同工况下带式输送机的工作过程，让学生能充分观察输送机的运行过程以及控制规律，从而了解其结构和工作原理，把握好运转过程中应注意的问题及其影响煤矿安全生产的风险分析，达到相关实践教学的目的。

但是这一模拟实验系统对于传统教学环境来说，投资费用偏大，安装过程复杂，对于硬件设施要求较高；而且在运行过程中对于运行过程和控制系统的观测不够直观。因此，课题组又提出并建立了基于Automation Studio的虚拟实验系统，来弥补前者的不足之处。利用人机交互的教学方式从带式输送机系统—关键技术—核心部件等多个方面系统地完成教学任务，后期的实践教学可以让学生在工程实验室的背景下对带式输送机有更加深入的了解，为学生在未来的科研以及工作打下良好的基础。

二、带式输送机仿真模拟教学演示系统

如图2所示，為带式输送机混合仿真模拟教学演示系统，通过这一更便捷、更易接触的模拟系统，学生能更逼真地观摩现场的带式输送机。

实验教学是使学生理论联系实际，培养学生观察问题、分析问题和解决问题的能力的一个重要方面。通过对于这种教学模型的学习，可以实现以下几个教学目的：（1）了解掌握带式输送机的组成及各部分主要功能；（2）理解带式输送机安全运行的关键技术及关键装备，熟悉带式输送机中的信息流、数据流等控制理论；（3）掌握基本的带式输送机控制策略以及控制方法。

经过这一实验后，学生可以通过计算机虚拟操作掌握矿井带式输送机工作过程和带式输送机液压系统的工作原理以及数据流动过程。

三、基于Automation Studio的带式输送机混合仿真模拟教学系统

带式输送机的操作流程为首先检查各个系统部件是否处于正常状态，包括带式输送机液压张紧系统、盘式制动系统等。为了让学生更好地了解带式输送机的整机运行过程以实现自己虚拟操作，利用Automation Studio软件搭建了带式输送机演示系统，实现人机交互控制。

本系统的具体开发过程为：通过自带液压库和电气库搭建需要仿真的液压系统和电气系统，设置好相关参数后，分别将液压、电气组件进行关联，从而实现电气系统控制液压系统。利用AutomationStudio液压库和电气库搭建液压系统和电气控制系统，分别建立好液压图、电气控制图后，对二者进行关联操作。电气控制图中，打开各触点和开关的组件属性，将液压控制节点与主电路的电机正转接触点的输入信号Receiver进行变量关联；打开液压原理图中的电机组件属性，将电气控制图中的三相异步电机的输入信号AngularSpeed添加到变量分配中，实现电气控制系统与液压系统的关联。

实验目的：（1）通过计算机虚拟操作掌握矿井带式输送机工作过程；（2）掌握带式输送机液压系统的工作原理以及数据流动。

实验内容：学生在了解矿井带式输送机理论知识的基础上，亲自操作 Automation Studio虚拟教学模拟系统，操作带式输送机虚拟教学演示系统，掌握带式输送机工作过程，掌握液压控制原理和电控原理，掌握各参数对带式输送机整机液压系统的影响。

四、结语

课题组建立的这种带式输送机虚拟实验系统，开创了一种新型的教学模式，改善了现有人才培养环节中缺乏实践的现状，对机械工程学科中的教学环节起到了深具启发性的影响，并提供了宝贵的经验。因此，后续仍将进一步地加强对这一系统的开发与应用，顺应如今的科学技术发展的趋势，不断创新，不断完善。

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