CN106951092A - 一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，涉及教学仪器设备技术领域。该方法包括：根据非动作部件和动作部件的结构，设计与实际工作站一致的非动作部件仿真画面和动作部件仿真画面；根据动作部件的动作组成，设置动作部件的移动变量和移动方向；根据动作部件的动作组成，通过动作部件上的传感器的传感信号，设置动作部件的动作极限位置；根据动作部件的移动变量、移动方向和动作极限位置，设计动作部件的脚本程序；根据非动作部件仿真画面、动作部件仿真画面和动作部件的脚本程序，建立仿真教学软设备。该方法采用触摸屏嵌入式组态技术中的代码二次开发功能，把各工作站的实际动作虚拟仿真，形成与真实设备配套的仿真软设备。

Description

一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法

技术领域

本发明涉及教学仪器设备技术领域，更具体的涉及一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法。

背景技术

随着智能制造技术的发展迅猛，高端设备不断涌现，需要该专业学生掌握的高端设备应用技能越来越多，各大院校有的采用大量采购复杂的自动化设备的方式保证教学，但是在教学实施过程中遇到大量问题，首先由于大型复杂设备价格昂贵，故此一次性资金投入大，其次大型复杂设备占地面积特别大，在实际教学运行过程中，超大面积的实训室无法保证教学实施，教师无法实现实时指导。

受资金和场地的限制，现在很多院校只能采购一套或二套大型自动化设备，因为设备太少，高端设备技术密集，也就是大型自动化设备上涉及的技术种类特别多，每个技术点涉及的硬件系统只有一套，那么在实际教学过程中，不可能每个学生同时在一个技术点上进行练习，不能边讲边练，更无法完成实际强化训练，因此演示性教学的实际意义不大，对学生实际技能的掌握没有多少帮助。

综上所述，现有技术中的大型自动化设备，存在受资金和场地的限制，采购少量的大型自动化设备，不能使每个学生都进行实际操作，影响学生实际技能的掌握的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，用以解决现有技术中存在受资金和场地的限制，采购少量的大型自动化设备，不能使每个学生都进行实际操作，影响学生实际技能的掌握的问题。

本发明实施例提供一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，包括：

分析实际工作站的非动作部件和动作部件的结构，以及分析实际工作站的动作部件的动作；其中，动作部件的动作包括：水平动作、垂直动作和旋转动作；

根据非动作部件和动作部件的结构，设计与实际工作站一致的非动作部件仿真画面和动作部件仿真画面；

根据动作部件的动作组成，设置动作部件的移动变量和移动方向；其中，移动变量包括动作部件移动的距离和速度，移动方向为移动变量增加时动作部件移动的方向；

根据动作部件的动作组成，通过动作部件上的传感器的传感信号，设置动作部件的动作极限位置；

根据动作部件的移动变量、移动方向和动作极限位置，设计动作部件的脚本程序；

根据非动作部件仿真画面、动作部件仿真画面和动作部件的脚本程序，建立仿真教学软设备。

较佳地，所述动作部件的旋转动作，具体包括：

设计旋转动作部件的仿真画面；

将旋转动作部件的动作分解为水平动作和垂直动作，通过公式(1)和公式(2)，设置旋转动作部件的水平移动变量、垂直移动变量和移动方向；

通过旋转动作部件上的传感器的传感信号，设置旋转动作部件的动作极限位置；

根据旋转动作部件的水平移动变量、垂直移动变量、移动方向和动作极限位置，设计旋转动作部件的脚本程序；

根据旋转动作部件的仿真画面和脚本程序，建立旋转动作部件；

所述公式(1)如下所示：

A＝Rcosα

所述公式(2)如下所示：

B＝Rsinα

其中，A为旋转动作部件的水平移动变量；B为旋转动作部件的垂直移动变量；R为旋转动作部件的旋转半径；α为旋转动作部件的旋转角度。

较佳地，一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，还包括动画演示步骤；所述动画演示步骤包括：

创建与实际工作站仿真画面相同的动画演示画面；

设计与动作部件的脚本程序相同的动画演示程序；

根据动画演示画面和动画演示程序，实现动画演示功能。

较佳地，一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，还包括故障提示步骤；所述故障提示步骤包括：

通过利用脚本程序判断是否产生故障；如果产生故障则提示故障。

一种基于大型设备的仿真教学软设备，包括：触摸显示屏和PLC控制器；所述触摸显示屏和所述PLC控制器电连接。

本发明实施例中，提供一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，与现有技术相比，其有益效果为：采用触摸屏嵌入式组态技术中的代码二次开发功能，把各工作站的实际动作虚拟仿真，形成与真实设备配套的仿真软设备，实现大型设备在教学中软件系统训练与硬件系统训练分离的功能，使得教学实施具有可操作性，为各大院校对于复杂自动化相关技术的训练提供技术保障，解决了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，使用本专利的仿真软设备，无需购买大量实训台，节省资金又可以同时练习，可以实现边讲边练。软设备可以把实际非常复杂的工作站软性拆分讲解，一起练习，等到学生逐步掌握各功能站的技术难点后，再把学生分散到实际复杂工作站上进行实际操作练习，使得指导和练习都成为可能。进一步，现有的组态仿真都是完全虚拟的画面，没有跟实际设备配套，仿真画面完成的功能相对非常简单。进一步，本发明的软设备节省大量资金，节省大量实训场地，使得大型自动化设备应用于实践教学成为可能，设备应用于教学过程中硬件系统的损坏率大大下降，节约大量维修成本，保障正常教学进行，硬件系统与软件系统分离，可以实现多个技术点同时训练。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于大型设备的仿真教学软设备结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法流程图。如图1所示，该方法包括：

S101，分析实际工作站的非动作部件和动作部件的结构，以及分析实际工作站的动作部件的动作；其中，动作部件的动作包括：水平动作、垂直动作和旋转动作。

需要说明的是，以供料单元为例，实际工作站中的动作由PLC控制的动作有气缸伸出、气缸缩回、气缸旋转、气缸夹紧、气缸松开；不由PLC所控制的动作有加工工件的下落和平移。

需要说明的是，通过分析上述动作可知，气缸伸出和气缸缩回是水平(垂直)移动和反方向水平(垂直)移动，如果气缸是水平放置，伸出是向右水平移动，那么缩回就是向左水平移动，如果气缸是垂直放置，伸出是向下垂直移动，那么缩回就是向上垂直移动。气缸旋转是水平移动和垂直移动的相结合，也就是在水平移动的同时也进行垂直移动，使其运动轨迹是一个圆形。气缸夹紧和气缸松开的动作分成两部分的动作，夹紧时是这两部分相对移动，松开时是两部分相向移动。加工工件的下落是向下垂直移动，加工工件的平移是向右或者向左的水平移动。

S102，根据非动作部件和动作部件的结构，设计与实际工作站一致的非动作部件仿真画面和动作部件仿真画面。

需要说明的是，设计仿真画面时要根据实际工作站的结构与动作，设计与实际工作站高度一致的非动作部件和动作部件，非动作部件是用绘图工具绘制出相应结构即可，最主要的是设计动作部件。

S103，根据动作部件的动作组成，设置动作部件的移动变量和移动方向；其中，移动变量包括动作部件移动的距离和速度，移动方向为移动变量增加时动作部件移动的方向。

需要说明的是，动作部件的设计要先绘制出需要动作的部件，然后设置动作部件的移动变量和移动方向，移动变量决定移动部件移动的距离和速度，移动方向是指在移动变量增加时所移动的反向，例如移动方向设置为正，移动部件水平移动，如果移动变量每100毫秒增加1个单位，那么移动部件就会每100毫秒向右移动1个单位，此时的速度就是1单位每100毫秒，如果移动变量每100毫秒增加10个单位，那么移动部件就会每100毫秒向右移动10个单位，此时的速度就是10单位每100毫秒。

S104，根据动作部件的动作组成，通过动作部件上的传感器的传感信号，设置动作部件的动作极限位置。

需要说明的是，对于各种传感器信号的控制，是在上述移动过程的基础上实施的，传感器信号都是在两个动作极限位置设置，也就是每个动作部件都有两个传感器信号，分别是右移到位信号和左移到位信号。

需要说明的是，对于这两个信号的控制，首先创建一个判断结构，判断移动变量是否到达最大值还是最小值，在最大值或者最小值时使相应的信号为接通状态，如果不是相应的信号为非接通状态，然后再将传感器信号写入到PLC中。例如移动方向设置为正，如果移动变量已经到达最大值那么就将右移到位信号设置为1，移动变量没有到达最大值，那么就将右移到位信号设置为0，同理如果移动变量已经到达最小值那么就将左移到位信号设置为1，移动变量没有到达最小值，那么就将左移到位信号设置为0，最后将各个传感器信号写入到PLC中。

需要说明的是，传感器包括磁性开关、光电传感器和金属传感器等。

S105，根据动作部件的移动变量、移动方向和动作极限位置，设计动作部件的脚本程序。

需要说明的是，设置完移动变量和移动方向之后，开始进行脚本程序的设计，首先将脚本程序设置为每100毫秒运行一次。脚本程序运行开始之后，首先先读取PLC控制动作的数据，然后设置一个判断结构，判断控制动作的数据是让动作部件向哪个方向移动，然后再判断移动变量是否到达最大或者最小值，最后将移动变量增加或者减少。例如移动方向设置为正，如果读取的PLC控制此运动部件的数据是1，此时需要此运动部件向右移动，如果此时移动变量没有到达最大值，那么此时就将移动变量加1，如果想动作的快一些，那么就将移动变量加10，此时在触摸屏上显示出来的是此动作部件向右移动；如果读取的PLC控制此运动部件的数据是1，此时需要此运动部件向右移动，如果此时移动变量已经到达最大值，说明此时已经动作到极限位置，那么移动变量不做任何改动，在触摸屏上显示出来的是此动作部件不动。如果读取的PLC控制此运动部件的数据是0，此时需要此运动部件向左移动，如果此时移动变量没有到达最小值，那么此时就将移动变量减1，如果想动作的快一些，那么就将移动变量减10，此时在触摸屏上显示出来的是此动作部件向左移动；如果读取的PLC控制此运动部件的数据是0，此时需要此运动部件向左移动，如果此时移动变量已经到达最小值，说明此时已经运动到极限位置，那么移动变量不做任何改动，在触摸屏上显示出来的是此动作部件不动。这就是在触摸屏上显示移动的过程。

S106，根据非动作部件仿真画面、动作部件仿真画面和动作部件的脚本程序，建立仿真教学软设备。

需要说明的是，以上就是对于一个动作部件的动作过程和动作部件上的传感器的控制方法，对于每个仿真画面中有多个动作部件，就按照上述方法进行多个设置和程序编写即可。其余的部件移动都是将其分解成水平移动和垂直移动，然后在脚本程序中控制动作变量即可。

较佳地，动作部件的旋转动作，具体包括：

步骤1，设计旋转动作部件的仿真画面。

步骤2，将旋转动作部件的动作分解为水平动作和垂直动作，通过公式(1)和公式(2)，设置旋转动作部件的水平移动变量、垂直移动变量和移动方向。

公式(1)如下所示：

A＝Rcosα

公式(2)如下所示：

B＝Rsinα

其中，A为旋转动作部件的水平移动变量；B为旋转动作部件的垂直移动变量；R为旋转动作部件的旋转半径；α为旋转动作部件的旋转角度。

步骤3，通过旋转动作部件上的传感器的传感信号，设置旋转动作部件的动作极限位置。

步骤4，根据旋转动作部件的水平移动变量、垂直移动变量、移动方向和动作极限位置，设计旋转动作部件的脚本程序。

步骤5，根据旋转动作部件的仿真画面和脚本程序，建立旋转动作部件。

较佳地，本发明实施例提供的一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，还包括动画演示步骤；动画演示步骤包括：

步骤1，创建与实际工作站仿真画面相同的动画演示画面。

步骤2，设计与动作部件的脚本程序相同的动画演示程序。

步骤3，根据动画演示画面和动画演示程序，实现动画演示功能。

较佳地，本发明实施例提供的一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，还包括故障提示步骤；故障提示步骤包括：

通过利用脚本程序判断是否产生故障；如果产生故障则提示故障。

本发明实施例提供的一种基于大型设备的仿真教学软设备，包括：触摸显示屏和PLC控制器；所述触摸显示屏和所述PLC控制器电连接。

需要说明的是，本发明提供的技术方案是利用PLC和触摸屏组成简单的低成本开发板，利用该开发板，用触摸屏嵌入式组态技术中的代码二次开发功能，把各工作站的实际动作虚拟仿真，设计完成了一套与真实设备配套的仿真软设备，实现大型设备在教学中软件系统训练与硬件系统训练分离的功能。

以供料单元为例，本发明实施例提供的触摸屏嵌入式组态设计开发过程如下所示：

触摸屏与PLC通过通讯电缆互传数据；触摸屏设计的仿真画面与实际工作站保持高度一致，共有两个气缸(顶料气缸和推料气缸)、管形料仓、出料台、待加工工件等主要部件组成；软设备的仿真画面设计与结构保持高度一致，同样有两个气缸(顶料气缸和推料气缸)、管形料仓、出料台、待加工工件等主要部件组成；同时仿真画面中有与实际工作站中一致的检测传感器，具有顶料气缸前位、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。

触摸屏读取PLC的数据，根据所读取的数据，同时利用触摸屏嵌入版组态软件设计脚本程序，使具有伸缩功能的气缸、工件等根据实际工作站的动作情况进行水平移动或者垂直移动，而后再将各个传感器信号写入到PLC中，脚本程序每间隔100毫秒运行一次。

以推料气缸和推料气缸前位、推料气缸后位为例，当运行脚本程序时，如果读取PLC数据中控制推料气缸的数据是1时，此时就控制推料气缸的活塞杆伸出，活塞杆需要进行水平移动，同时将待加工工件一并推出，代加工工件也需要水平移动，此时由于推料气缸的活塞杆伸出，推料气缸后位传感器信号处于非接通状态，但活塞杆没有完全伸出，推料气缸前位传感器也处于非接通状态，由于待加工工件还未到达料台检测传感器的位置，所以料台检测传感器同样处于非接通状态。

如果推料气缸活塞杆完全伸出到位，推料气缸前位传感器处于接通状态，代加工工件此时处于料台检测传感器的位置，所以料台检测传感器同样处于接通状态。

如果读取PLC数据中控制推料气缸的数据是0时，此时就控制推料气缸的活塞杆缩回，同样活塞杆需要进行向相反方向的水平移动，在实际工作站中，此时的待加工工件停留不动，所以在仿真画面中同样代加工工件停留原地，此时由于推料气缸的活塞杆缩回，推料气缸前位传感器信号处于非接通状态，但活塞杆没有完全缩回，推料气缸后位传感器也处于非接通状态。

如果推料气缸活塞杆完全缩回到位，推料气缸后位传感器处于接通状态。

如果在运行过程中，由于PLC中控制程序所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，此时提示错误，在实际工作站中出现此情况属于危险故障状态。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状态，所以在仿真画面中要进行错误提示。

本发明实施例提供的一种基于大型设备的仿真教学软设备的操作步骤：

连接PLC与计算机的通讯电缆，打开电源开关；等待触摸屏启动，启动后显示选择工作站画面；选择需要进去的单元，例如选择供料单元；此时进入到相应单元的仿真画面，例如供料单元的仿真画面；此时即可以在计算机上进行PLC编程，将程序下载到PLC后并运行，此时仿真画面可根据PLC的数据状态进行动作，此时可以根据仿真画面的动作情况判断PLC程序是否正确；取料按钮的作用是取走待加工工件，添料按钮为添加待加工工件，系统复位为复位仿真画面，使其回到最开始状态；地址查询按钮作用是显示当前工作站的仿真画面与PLC通讯的地址连接；在软设备的设计开发过程中在，仿真画面的功能与实际工作站保持高度一致，该系统在应用过程中体现出了强大的功能，彻底解决了大型自动化设备不能应用于实践教学的一系列问题。

本发明实施例提供的一种基于大型设备的仿真教学软设备的有益效果：

1、在软设备上完成软件系统设计操作训练，实现软硬分离功能，使得学生在熟练掌握针对硬件系统的程序设计能力后，再到实际的硬设备上完成系统调试，避免了以往大量程序设计错误造成的设备损坏，大大降低设备损坏率和维修成本，保证课程顺利进行。

2、自主开发软设备只需在组态中完成相应的代码编程，无需格外花费大量资金购买开发软件，就可以实现满足实际要求的最小系统；现成的软设备软件功能强大而复杂，实际教学其实只使用了其功能的百分之一甚至更少，自己开发，只要满足课程实际要求就行，节省大量购买软件的资金。

3、自己设计的软设备，学生调试过程中遇到问题随时调整，根据学生能力随时升级功能，非常方便实用。

4、自己设计的软设备，无需格外购买实训台，硬件故障非常简单，很容易维修，保证上课时设备的完好率。

5、自己设计的软设备，跟实际工作站非常贴近又不完全相同，使学生在联系软件程序设计的同时，学习组态技术，了解控制系统特性，综合能力得到提升。

6、自己设计的软设备，既可以练习可编程技术，同时学生可以自己修改组态特性，大大拓宽了课程的训练范围，全新的自主课程模式。

7、自己设计的软设备，无需购买大量实训台，节省资金又可以同时练习，可以实现边讲边练。软设备可以把实际非常复杂的工作站软性拆分讲解，一起练习，等到学生逐步掌握各功能站的技术难点后，再把学生分散到实际复杂工作站上进行实际操作练习，使得指导和练习都成为可能。

8、自己设计的软设备，除了可以仿真实际实训台功能之外，最大的好处是可以无限制的增加输入设备及相应的功能，使项目任务可以分成非常多的难度层次，最大程度的适应我校目前的班级人员基础层次差别太大的问题，使用非常方便可行。

9、最后实际台子训练，与软设备又有区别，包括还会有很多的硬件故障，使学生清楚的判定问题的故障点。

10、软设备的开发其中具有很强的动画演示功能，可以使学生在交互式的界面上对所在技术单元的工作过程和可能出现的问题进行反复观看和分解分析，对于学生学习和理解技术难点有非常大的帮助，同时由于软设备中演示的故障不会损坏实际设备，对于保证教学的顺利进行提供了更为有效的途径。

11、在软设备的设计过程中，对于各种故障可以设置生动有趣的报警提示方式，有利的保障了学生学习过程的有趣和有效性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，其特征在于，包括：

分析实际工作站的非动作部件和动作部件的结构，以及分析实际工作站的动作部件的动作；其中，动作部件的动作包括：水平动作、垂直动作和旋转动作；

根据非动作部件和动作部件的结构，设计与实际工作站一致的非动作部件仿真画面和动作部件仿真画面；

根据动作部件的动作组成，设置动作部件的移动变量和移动方向；其中，移动变量包括动作部件移动的距离和速度，移动方向为移动变量增加时动作部件移动的方向；

根据动作部件的动作组成，通过动作部件上的传感器的传感信号，设置动作部件的动作极限位置；

根据动作部件的移动变量、移动方向和动作极限位置，设计动作部件的脚本程序；

根据非动作部件仿真画面、动作部件仿真画面和动作部件的脚本程序，建立仿真教学软设备。

2.如权利要求1所述的基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，其特征在于，所述动作部件的旋转动作，具体包括：

设计旋转动作部件的仿真画面；

将旋转动作部件的动作分解为水平动作和垂直动作，通过公式(1)和公式(2)，设置旋转动作部件的水平移动变量、垂直移动变量和移动方向；

通过旋转动作部件上的传感器的传感信号，设置旋转动作部件的动作极限位置；

根据旋转动作部件的水平移动变量、垂直移动变量、移动方向和动作极限位置，设计旋转动作部件的脚本程序；

根据旋转动作部件的仿真画面和脚本程序，建立旋转动作部件；

所述公式(1)如下所示：

A＝Rcosα

所述公式(2)如下所示：

B＝Rsinα

其中，A为旋转动作部件的水平移动变量；B为旋转动作部件的垂直移动变量；R为旋转动作部件的旋转半径；α为旋转动作部件的旋转角度。

3.如权利要求1所述的基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，其特征在于，还包括动画演示步骤；所述动画演示步骤包括：

创建与实际工作站仿真画面相同的动画演示画面；

设计与动作部件的脚本程序相同的动画演示程序；

根据动画演示画面和动画演示程序，实现动画演示功能。

4.如权利要求1所述的基于大型设备的仿真教学软设备实现方法，其特征在于，还包括故障提示步骤；所述故障提示步骤包括：

通过利用脚本程序判断是否产生故障；如果产生故障则提示故障。

5.一种基于大型设备的仿真教学软设备，其特征在于，包括：触摸显示屏和PLC控制器；所述触摸显示屏和所述PLC控制器电连接。