虚实结合的机电设备控制仿真平台

唐灵飞，孙俊鸽

（洛阳职业技术学院，河南 洛阳 471000）

伴随着社会的快速发展，信息化技术的进步，传统的仿真技术，已经不能够完全满足人们当今的需求，大众需要一种更加真实的仿真模式。相关人员通常要通过软件仿真了解机电设备的工作过程，但是这种方法不能让他们对嵌入式系统的软件编程调试进行深入的理解。为了能够解决这一问题，创造出了虚实结合的机电设备控制仿真平台，达到了解机电设备工作流程、锻炼操作水平的目的。

1 虚实结合的模拟仿真平台

1.1 虚实结合的仿真平台内涵

从理论的角度来说，仿真平台，是指利用虚拟的技术，在虚拟环境中建立出实际生活放心实验中所处的环境。相关人员能够在仿真平台上完成项目的实验，还能够对其实验结果进行评定。仿真平台中的模拟对象，都具有非常高的真实性，通过在仿真平台中对研究对象的模拟，能够更直观地了解机械设备，提升相关人员的专业技能。但是，单纯使用虚拟仿真设备并不能有效保证设备及操作技能的训练效果，为此运用虚实结合的模拟仿真平台，可以对不同的机电设备进行更加真实的仿真模拟。在这个模拟过程中，需要手工搭建控制系统，并且编写代码，让电脑软件的机械设备做出仿真模拟动作，不仅可以减少实验室的费用，还能提升实训效果。

1.2 虚实结合仿真平台的优势

使用相关的仿真组件，可以保证人员自主地进行模拟仿真的探索和实践，将MCGS 组态软件使用在机电设备调试当中，能够让人员在十分真实的环境当中进行人机互动，并且可以获得及时的信息反馈，不仅保证了学习效果，也具备较强的吸引力，所以能够提升积极性。并且，这种方式也具有很强的灵活性，操作者可以根据自己的知识理解和学期情况制定训练计划，以及调整学习进度，从而实现有选择的学习。对于一些比较难以掌握的位置，则可以利用反复的学习，实现对知识的掌握。由于使用了软件，保证每个人都有一台计算机，在保证大量人员进行学习的情况下，也可以保证所有人都有足够的学习时间。并且在实验的过程中，避免了直接进行机电设备的操作，不仅避免了机电设备因为使用而造成损坏和老化，也让学习人员获得了一个十分安全的环境，防止自身的安全受到威胁。最后，使用该技术还可以减少能耗，尤其是可以减少对原材料、工具、仪表等设备的使用，更好地节约设备，并且由于工作过程经过了模拟，所以有效降低了能源的使用。

1.3 虚实结合仿真平台的应用策略

使用在教学和实训当中时，必须要以教学为辅，实际操作为主，加强实际操作的训练。教学的内容，比如操作对象的型号、系统都要和实际的训练内容相近，保证学习效果和学习效率。比如对于机械部件的装调实训，反震系统里的拆装对象必须要和实际使用的机床相一致。在实训阶段，需要依靠仿真系统提供的机械部件装配图、机械部件三维模型，了解机械的工作原理，对于相同的机床载体，如果已经熟悉了其结构和工作原理，还需要训练基本的拆装流程和对工艺进行调试。

1.4 虚实结合仿真存在的不足

虽然经过了模拟仿真，可以将机电设备的特点完全地展现出来，虚拟场景也和实际场景十分接近，但是由于整个学习过程都是使用鼠标键盘进行训练，并且仿真本身和现实还有一定的差距，所以和真正的动手实践还有一定的区别。更为重要的是，由于并没有安全隐患，所以在学习的过程中可能对安全问题并不会太在意，会导致养成不好的习惯。

2 虚实结合机电设备控制仿真平台的硬件设计

虚拟结合的仿真硬件平台采用上下位机结构，下位机使用串行通信进行级联，使主模块、级模块等控制器连接起来，满足电机设备在IO 口上的需要，并且将上位机的各种电元件、电气接口在真正的端子上连接，电源键的通断状态和点评也在端口处表现出来。从而使被设计出来的控制系统可以通过实际的导线和端口与被控制的上位虚拟机中的电设备连接。在仿真界面上，每个电子元件的电器接口都和下位机的输入输出端子对应，使其能够被其他的系统控制和检测。

2.1 上位机的设计

针对不同的仿真需求，上位机可以使用MCGS 触摸屏或者PC 机。MCGS 触摸屏使用RS485 接口和主控机器连接，PC机使用RS232 接口与主控器连接，上下位机使用MODBUS 协议通信。

2.2 下位机的设计

下位机的主控芯片需要采用嵌入式微处理器，并且进行模块化设计，主模块含有12 路IO 隔离输出接口，1 路RS232 接PC 机，扩展IO 口等等，可以利用主模块来代替扩展数字IO 口的级联模块，使用模拟量模块作为扩展模拟IO口的级联模块。开关输入接口可以连接光电传感器、霍尔元件传感器和开关等等，模拟输入接口要和位移传感器、温度传感器、压力传感器等相连，从而接收模拟信号。开关量输入接口可以连接继电器、接触器、阀门、指示灯等，接收和控制数字信号。

3 虚实结合继电设备的仿真平台软件设计

3.1 上位机机电设备的仿真界面设计

上位机继电设备的仿真需要使用工业组态软件MCGS，设计界面时，需要使用到MCGS 设备的窗口实现上位机和下位机的通信设置，以及数据和命令的交换，在同时还需要利用窗口来实现图形对象、图元对象、图符对象的仿真设计，再利用变量连接，就能够实现机电设备的仿真运行。利用MCGS 的实时数据库也可以设置机电设备的变量，并利用运行脚本来编写运行策略。

3.2 下位机嵌入式控制软件的设计

下位机需要实现上下位机的数据交换，实现在下位机嵌入式控制器的IO 口端子通过高低电平时能够表现它的工作状态。下位机软件的通信模块分为3 个部分。要和上位机使用MODBUS 通信协议进行通信，编写的通信程序要能够实现MODBUS 常用功能命令的输出，也可以根据需要进行添加。设计级联控制模块相连的通信程序时，为了保证整个通信软件的统一，也要使用MODBUS 通信协议设计控制板级联程序，以主控制器作为主，其他模块辅助主控制器。第二路RS485作为自由口，以保证能够和其他协议的模块相连。数据交换模块负责解释触摸屏或者PC 机上的虚拟机电设备的命令，或者对输入的数据进行分析，下位机控制的变量实现连接，然后将对应的输入输出数据展现在下位控制器的IO 端口上。

4 典型的机电设备虚拟设计

4.1 XY 数控工作台

XY 数控工作台是很多数控加工设备和电子加工设备的基本部件，包括数控车床的纵横进刀装置、激光加工设备、芯片封装和表面贴装设备等等，都含有XY 工作台，工作台的运动方式是直线运动单元合成X 方向和Y 方向的运动，可以使用单片机进行程序的编写，驱动XY 两个步骤实现电机的相应工作，并实现设计的运动轨迹。每次运动电机都需要至少两个接口控制步来实现电机的运转，如果使用脉冲的方式，则一个接口给的高低点评表示正反转，另一个接口为旋转脉冲；如果采用双脉冲的方式，一个接口的脉冲为正转，另外一个接口的脉冲为反转。XY 工作台的X 向、Y 向的运动需要1 个电机，4 个IO 口进行控制。

4.2 压蜡机

压蜡机主要使用在荣默精密铸造的蜡模压制上，铸造师选用的蜡模被广泛适用于飞机空气涡轮发动机、医疗器械、环保用具、通用机械、汽车零部件上，压蜡机借助压蜡装置和模具，将液态的模料铸造成蜡型。虚拟压蜡机可以实现开模、合模、压蜡、补蜡、脱模机喷射、顶模等工作。在进行虚拟压蜡机的设计时，需要使用PLC 或者嵌入式系统来控制虚拟的压蜡机，编程调试时，需要对19 个输入输出口和6个定时器的控制系统进行编程。利用这个方式，可以对压蜡机进行虚拟模拟，提高对压力机工作原理的认识。

5 结语

利用虚实结合的机电设备控制仿真平台，来打造一个虚拟的实验室，能够让相关人员进行实战演练，提升其操作能力。平台的应用能够高效解决因为实验设备数量不足、型号不先进、设备老旧而产生的问题。通过实践，来提升相关人员的专业素质与实操水平。