虛實結(jié)合的機電設備控制仿真平臺

唐靈飛，孫俊鴿

（洛陽職業(yè)技術學院，河南 洛陽 471000）

伴隨著社會的快速發(fā)展，信息化技術的進步，傳統(tǒng)的仿真技術，已經(jīng)不能夠完全滿足人們當今的需求，大眾需要一種更加真實的仿真模式。相關人員通常要通過軟件仿真了解機電設備的工作過程，但是這種方法不能讓他們對嵌入式系統(tǒng)的軟件編程調(diào)試進行深入的理解。為了能夠解決這一問題，創(chuàng)造出了虛實結(jié)合的機電設備控制仿真平臺，達到了解機電設備工作流程、鍛煉操作水平的目的。

1 虛實結(jié)合的模擬仿真平臺

1.1 虛實結(jié)合的仿真平臺內(nèi)涵

從理論的角度來說，仿真平臺，是指利用虛擬的技術，在虛擬環(huán)境中建立出實際生活放心實驗中所處的環(huán)境。相關人員能夠在仿真平臺上完成項目的實驗，還能夠?qū)ζ鋵嶒灲Y(jié)果進行評定。仿真平臺中的模擬對象，都具有非常高的真實性，通過在仿真平臺中對研究對象的模擬，能夠更直觀地了解機械設備，提升相關人員的專業(yè)技能。但是，單純使用虛擬仿真設備并不能有效保證設備及操作技能的訓練效果，為此運用虛實結(jié)合的模擬仿真平臺，可以對不同的機電設備進行更加真實的仿真模擬。在這個模擬過程中，需要手工搭建控制系統(tǒng)，并且編寫代碼，讓電腦軟件的機械設備做出仿真模擬動作，不僅可以減少實驗室的費用，還能提升實訓效果。

1.2 虛實結(jié)合仿真平臺的優(yōu)勢

使用相關的仿真組件，可以保證人員自主地進行模擬仿真的探索和實踐，將MCGS 組態(tài)軟件使用在機電設備調(diào)試當中，能夠讓人員在十分真實的環(huán)境當中進行人機互動，并且可以獲得及時的信息反饋，不僅保證了學習效果，也具備較強的吸引力，所以能夠提升積極性。并且，這種方式也具有很強的靈活性，操作者可以根據(jù)自己的知識理解和學期情況制定訓練計劃，以及調(diào)整學習進度，從而實現(xiàn)有選擇的學習。對于一些比較難以掌握的位置，則可以利用反復的學習，實現(xiàn)對知識的掌握。由于使用了軟件，保證每個人都有一臺計算機，在保證大量人員進行學習的情況下，也可以保證所有人都有足夠的學習時間。并且在實驗的過程中，避免了直接進行機電設備的操作，不僅避免了機電設備因為使用而造成損壞和老化，也讓學習人員獲得了一個十分安全的環(huán)境，防止自身的安全受到威脅。最后，使用該技術還可以減少能耗，尤其是可以減少對原材料、工具、儀表等設備的使用，更好地節(jié)約設備，并且由于工作過程經(jīng)過了模擬，所以有效降低了能源的使用。

1.3 虛實結(jié)合仿真平臺的應用策略

使用在教學和實訓當中時，必須要以教學為輔，實際操作為主，加強實際操作的訓練。教學的內(nèi)容，比如操作對象的型號、系統(tǒng)都要和實際的訓練內(nèi)容相近，保證學習效果和學習效率。比如對于機械部件的裝調(diào)實訓，反震系統(tǒng)里的拆裝對象必須要和實際使用的機床相一致。在實訓階段，需要依靠仿真系統(tǒng)提供的機械部件裝配圖、機械部件三維模型，了解機械的工作原理，對于相同的機床載體，如果已經(jīng)熟悉了其結(jié)構和工作原理，還需要訓練基本的拆裝流程和對工藝進行調(diào)試。

1.4 虛實結(jié)合仿真存在的不足

雖然經(jīng)過了模擬仿真，可以將機電設備的特點完全地展現(xiàn)出來，虛擬場景也和實際場景十分接近，但是由于整個學習過程都是使用鼠標鍵盤進行訓練，并且仿真本身和現(xiàn)實還有一定的差距，所以和真正的動手實踐還有一定的區(qū)別。更為重要的是，由于并沒有安全隱患，所以在學習的過程中可能對安全問題并不會太在意，會導致養(yǎng)成不好的習慣。

2 虛實結(jié)合機電設備控制仿真平臺的硬件設計

虛擬結(jié)合的仿真硬件平臺采用上下位機結(jié)構，下位機使用串行通信進行級聯(lián)，使主模塊、級模塊等控制器連接起來，滿足電機設備在IO 口上的需要，并且將上位機的各種電元件、電氣接口在真正的端子上連接，電源鍵的通斷狀態(tài)和點評也在端口處表現(xiàn)出來。從而使被設計出來的控制系統(tǒng)可以通過實際的導線和端口與被控制的上位虛擬機中的電設備連接。在仿真界面上，每個電子元件的電器接口都和下位機的輸入輸出端子對應，使其能夠被其他的系統(tǒng)控制和檢測。

2.1 上位機的設計

針對不同的仿真需求，上位機可以使用MCGS 觸摸屏或者PC 機。MCGS 觸摸屏使用RS485 接口和主控機器連接，PC機使用RS232 接口與主控器連接，上下位機使用MODBUS 協(xié)議通信。

2.2 下位機的設計

下位機的主控芯片需要采用嵌入式微處理器，并且進行模塊化設計，主模塊含有12 路IO 隔離輸出接口，1 路RS232 接PC 機，擴展IO 口等等，可以利用主模塊來代替擴展數(shù)字IO 口的級聯(lián)模塊，使用模擬量模塊作為擴展模擬IO口的級聯(lián)模塊。開關輸入接口可以連接光電傳感器、霍爾元件傳感器和開關等等，模擬輸入接口要和位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等相連，從而接收模擬信號。開關量輸入接口可以連接繼電器、接觸器、閥門、指示燈等，接收和控制數(shù)字信號。

3 虛實結(jié)合繼電設備的仿真平臺軟件設計

3.1 上位機機電設備的仿真界面設計

上位機繼電設備的仿真需要使用工業(yè)組態(tài)軟件MCGS，設計界面時，需要使用到MCGS 設備的窗口實現(xiàn)上位機和下位機的通信設置，以及數(shù)據(jù)和命令的交換，在同時還需要利用窗口來實現(xiàn)圖形對象、圖元對象、圖符對象的仿真設計，再利用變量連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)機電設備的仿真運行。利用MCGS 的實時數(shù)據(jù)庫也可以設置機電設備的變量，并利用運行腳本來編寫運行策略。

3.2 下位機嵌入式控制軟件的設計

下位機需要實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)在下位機嵌入式控制器的IO 口端子通過高低電平時能夠表現(xiàn)它的工作狀態(tài)。下位機軟件的通信模塊分為3 個部分。要和上位機使用MODBUS 通信協(xié)議進行通信，編寫的通信程序要能夠?qū)崿F(xiàn)MODBUS 常用功能命令的輸出，也可以根據(jù)需要進行添加。設計級聯(lián)控制模塊相連的通信程序時，為了保證整個通信軟件的統(tǒng)一，也要使用MODBUS 通信協(xié)議設計控制板級聯(lián)程序，以主控制器作為主，其他模塊輔助主控制器。第二路RS485作為自由口，以保證能夠和其他協(xié)議的模塊相連。數(shù)據(jù)交換模塊負責解釋觸摸屏或者PC 機上的虛擬機電設備的命令，或者對輸入的數(shù)據(jù)進行分析，下位機控制的變量實現(xiàn)連接，然后將對應的輸入輸出數(shù)據(jù)展現(xiàn)在下位控制器的IO 端口上。

4 典型的機電設備虛擬設計

4.1 XY 數(shù)控工作臺

XY 數(shù)控工作臺是很多數(shù)控加工設備和電子加工設備的基本部件，包括數(shù)控車床的縱橫進刀裝置、激光加工設備、芯片封裝和表面貼裝設備等等，都含有XY 工作臺，工作臺的運動方式是直線運動單元合成X 方向和Y 方向的運動，可以使用單片機進行程序的編寫，驅(qū)動XY 兩個步驟實現(xiàn)電機的相應工作，并實現(xiàn)設計的運動軌跡。每次運動電機都需要至少兩個接口控制步來實現(xiàn)電機的運轉(zhuǎn)，如果使用脈沖的方式，則一個接口給的高低點評表示正反轉(zhuǎn)，另一個接口為旋轉(zhuǎn)脈沖；如果采用雙脈沖的方式，一個接口的脈沖為正轉(zhuǎn)，另外一個接口的脈沖為反轉(zhuǎn)。XY 工作臺的X 向、Y 向的運動需要1 個電機，4 個IO 口進行控制。

4.2 壓蠟機

壓蠟機主要使用在榮默精密鑄造的蠟模壓制上，鑄造師選用的蠟模被廣泛適用于飛機空氣渦輪發(fā)動機、醫(yī)療器械、環(huán)保用具、通用機械、汽車零部件上，壓蠟機借助壓蠟裝置和模具，將液態(tài)的模料鑄造成蠟型。虛擬壓蠟機可以實現(xiàn)開模、合模、壓蠟、補蠟、脫模機噴射、頂模等工作。在進行虛擬壓蠟機的設計時，需要使用PLC 或者嵌入式系統(tǒng)來控制虛擬的壓蠟機，編程調(diào)試時，需要對19 個輸入輸出口和6個定時器的控制系統(tǒng)進行編程。利用這個方式，可以對壓蠟機進行虛擬模擬，提高對壓力機工作原理的認識。

5 結(jié)語

利用虛實結(jié)合的機電設備控制仿真平臺，來打造一個虛擬的實驗室，能夠讓相關人員進行實戰(zhàn)演練，提升其操作能力。平臺的應用能夠高效解決因為實驗設備數(shù)量不足、型號不先進、設備老舊而產(chǎn)生的問題。通過實踐，來提升相關人員的專業(yè)素質(zhì)與實操水平。