CN109872595A - 一种虚实结合的远程液压实验教学系统 - Google Patents

Abstract

一种虚实结合的远程液压实验教学系统，属于教学应用领域。该虚实结合的远程液压实验虚拟仿真教学系统，其中虚实结合部分为学生通过远程调用实验台上的Automation Studio软件进行仿真模拟液压回路，并可根据学生本身的想法对液压回路进行修改、优化，最后连接液压实验台进行实际操作。该系统还添加了网络高清球机、网络硬盘录像机、交换机、球机支架、路由器等设备组成了反馈系统，学生通过该反馈系统可以察看液压实验台的实时运行情况。本发明提供的实验虚拟仿真教学系统，在突破时间和空间的限制同时，增加学生与试验台视觉近距离接触的机会，不仅实现了远程调用实验平台控制的自动化和智能化，而且还能使学生获得更好的实验体验和更加优化的实验结果。

Description

一种虚实结合的远程液压实验教学系统

技术领域

本发明属于教学应用领域，涉及一种虚实结合的远程液压实验教学系统。

背景技术

实验教学是理工科学生的一项重要教学环节，也是培养学生实践能力和创新思维的重要途径，通过实验环节，学生能够更好的掌握抽象的理论，学习基本的知识和技能，培养分析和解决问题的能力。目前，摆在实验教学面前的问题是如何使学生可以不受时间和空间的限制，在远程端即可控制实验室设备，完成相应实验。虚拟仿真教学是解决问题的手段之一。基于虚实结合的虚拟仿真实验不仅可以辅助老师及学校科研工作，而且在授课方面也具有共享性强、安全性高、经济性好、人机交互界面友好等优点。液压实验台计算机端安有Automation Studio软件，学生可以通过远程调用的方式使用这款好用且功能强大的专业电路仿真和模拟软件。如此，学生便可以在任何时间段在远端使用该软件进行仿真、实践、在仿真的操作过程。通过这一套完善的流程，不仅实现了远程调用实验平台控制的自动化和智能化，而且还能使学生获得更好的实验体验和更加优化的实验结果。

发明内容

本发明结合液压虚拟仿真实验室建设需求，设计出一套虚实结合的远程液压实验虚拟仿真教学系统。其中虚实结合部分为学生通过远程调用实验台上的AutomationStudio软件进行仿真模拟液压回路，并可根据学生本身的想法对液压回路进行修改、优化，最后连接液压实验台进行实际操作。该系统还添加了网络高清球机、网络硬盘录像机、交换机、球机支架、路由器等设备组成了反馈系统，学生通过该反馈系统可以察看液压实验台的实时运行情况。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种虚实结合的远程液压实验教学系统，包括以下步骤：

第一步：调用teamviewer软件实现远程访问，并额外设置6个必要的触发按钮：

所述远程访问是指学生客户端能够在远端实现对液压实验台上位机桌面的控制。teamviewer连接是一个能在任何防火墙和NAT代理的后台用于远程控制的应用程序，使客户端与液压实验台实现桌面共享和文件传输等功能。启动teamviewer远程连接，远程访问软件获取实验室液压实验台上位机的访问权。

所述额外设置6个必要的触发按钮分别是开始远程、请求开泵、录制视频、完成录制、请求关泵及完成实验。所述开始远程部分是该远程访问软件运行的初步，该部分可通过网络实现对远程访问软件的持续更新；当开始远程运行时，远程访问软件将从实验项目库中获取位置控制实验的项目定义、液压回路设计图、所用的元件种类和数量及目的与要求等信息。所述请求开泵是该远程访问软件的第一次交流按钮，该部分通过液压实验台的音响对实验室的实验员下达开始命令。所述录制视频是该远程访问软件所设立的监督部分，该监督部分通过对客户端电脑的屏幕进行定时间取帧的方式获取压缩视频。所述完成录制是该远程访问软件录制视频按钮的结束控制，该完成录制可对录制视频监督部分进行停止取帧处理并终结录制视频的运行。所述请求关泵是该远程访问软件第二次交流按钮，该部分通过液压实验台的音响对实验室的实验员进行命令下达终止命令。所述完成实验该远程访问软件的运行终止软件，该完成实验组件对teamviewer远程连接进行协议终止。

第二步：实现虚实结合，搭建电气回路实现Automation Studio软件对液压实验台的控制：

所述搭建的电气回路包括24V电源、指令值模块、控制器模块、指令值指定模块、指令值/实际值显示屏、位置传感器及接线板。所述指令值模块、控制器模块、指令值指定、指令值/实际值显示及接线板分别与24V电源连接；其中所述指令值模块与控制器模块连接；所述位置传感器向外传出信号端与控制器模块连接，位置传感器接受装置安装在液压实验台操作平台上；所述指令值/实际值显示屏与控制器模块连接，指令值/实际值显示屏主要负责接收控制器模块数据并通过图形与数字的形式显示；所述接线板输入端通过接触开关分别与指令值指定模块和控制器模块连接，输出端与液压实验台上的液压元件连接，起到信号传递作用；

所述Automation Studio安装于液压实验台的上位机端，用以传递命令，可以实现电液控制的动态仿真和其他软件的联合仿真；学生可根据本次项目的液压回路图和电气回路图进行虚拟仿真液压回路连接及电气回路图的连接。在不对实验的各个液压回路功能做修改的前提下，学生可以使用Automation Studio根据本身的想法对液压回路元件的位置以及油管连接的布局进行修改。同理，在搭建虚拟电气回路时，学生可以使用AutomationStudio根据本身想法对放大系数等电气参数进行修改。

所述虚实结合部分：实验员在液压实验台上根据实验项目液压回路图，固定每个液压元件的位置，并用油管连接各个液压元件组成实际液压回路，同样，对于电气回路，实验员需在液压实验台上根据实验项目电气回路图搭建实际电气回路；学生通过远程访问液压实验台的上位机端Automation Studio软件，根据具体项目的液压回路图和电气回路图进行虚拟仿真液压回路连接及电气回路图的连接；操作Automation Studio软件过程中，在不对实验的各个液压回路功能做修改的前提下，学生可以根据本身的想法对液压回路元件的位置以及油管连接的布局进行修改，同样，在搭建虚拟电气回路时，学生可以根据本身想法对放大系数等电气参数进行修改；最后将虚拟仿真回路与实际回路进行连接，验证学生的虚拟仿真液压回路是否正确。

所述实际液压回路和实际电气回路是针对不同的液压实验项目组成的回路。液压实验项目与液压回路、电气回路两个回路一一对应。

第三步：组建闭环的反馈系统，建立学生与液压实验台联系

该反馈系统的硬件部分包括液压实验台、网络高清球机、网络硬盘录像机、交换机、路由器、客户端电脑。

3.1)安装网络高清球机，对网络高清球机进行预置点设置

所述的网络高清球机与摄像机连接并安装于球机之上，且面向液压实验台上半区获取液压实验台布局以及运行情况；所述网络硬盘录像机分别与网络高清球机、交换机通过接口互联，系统通过交换机将获取的液压实验台信息上传到液压实验台上位机。

硬件安装完毕后，将控制网络高清球机的配置平台安装于液压实验台上位机端。并在配置平台主菜单中的通道管理中设置实验元件的预置点。

3.2)为实验室端的设备配置网络

路由器安装于实验室有线网口附近。所述液压实验台主要用于液压技术的教学培训，能够进行模块化的结构设计和元件的快速拆接安装，液压实验台与上位机连接，用于接收网络与安装控制硬件设备的Automation Studio软件。所述上位机端能够获得无线网络；所述的客户端电脑通过网络与液压实验室的网络硬盘录像机进行连接；所述网络硬盘录像机连接计算机设置预置点用以控制网络高清球机以建立闭环的反馈系统反馈调节功能。

3.3)使用teamviewer软件、网络高清球机的配置平台调动反馈系统硬件

客户端通过teamviewer软件访问以接入路由器的液压实验台上位机，并打开上位机端的网络高清球机的配置平台。由3.1、3.2的连接方式可知，启动配置平台后，网络高清球机将开始获取液压实验台实时数据，网络硬盘录像机通过网络高清球机采集数据，网络硬盘录像机采集数据后进行编码，产生图像。交换机将网络硬盘录像机产生的图像上传到液压实验台的上位机。客户端通过teamviewer软件即可在网络高清球机的配置平台上观看实时图像。

反馈系统组建完成后，学生通过该系统可获取实验室液压实验台图像，并通过预置点控制网络高清球机。

本发明的有益效果是：通过虚实结合的远程液压实验虚拟仿真教学系统，在突破时间和空间的限制同时，增加了学生与试验台视觉近距离接触的机会。同时基于.NET的远程访问软件采用了封装teamviewer远程软件的方式，在保证了控制效果的流畅性情况下，减少了客户端视频与实验室液压实验台实时运行情况的延时。该系统还采用电气回路设计实现了Automation Studio软件和工程级别的液压实验台的控制连接，并能获取真实实验表象及实验数据。这种方法可使学生通过Automation Studio软件轻松实现对任务的配置和编程的核心组件，图形化软硬件配置可清晰地勾勒出整个项目概况，过程变量和数据在此符号化编址，系统会自动辨识和支持目标硬件。

附图说明

图1为本发明教学系统的反馈系统框图；

图2为本发明教学系统的远程操作流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分案例，而不是全部案例。

第一步：调用teamviewer软件实现远程访问，并额外设置6个必要的触发按钮

1.1)调用teamviewer软件实现远程访问

首先，在VS2012软件中使用函数，使客户端获取本地teamviewer的ID传给服务器。之后编写代码寻找注册表中TeamViewer的ID。最后，服务器端获取客户端发送的TeamViewerID从而实现远程控制。

1.2)开始远程、请求开泵、请求关泵的实现

开始远程：整个远程访问的第一步，定义以开始远程为命名的触发器按钮，触发事件为上述调用teamviewer软件的函数；

请求开泵：定义以请求开泵为命名的触发器按钮并设置Y为响应字段。并在程序中设置每7秒轮询一次数据库状态，查看对应的触发器字段是否为Y。触发事件为实验室液压实验台播放请求开泵语音；

请求关泵：定义以请求关泵为命名的触发器按钮并设置Y为响应字段。并在程序中设置每7秒轮询一次数据库状态，查看对应的触发器字段是否为Y。触发事件为实验室液压实验台播放请求关泵语音。

1.3)录制视频、完成录制、完成实验的实现

录制视频：定义以录制视频为命名的触发器按钮并设置Y为响应字段。并在程序中设置每7秒轮询一次数据库状态，查看录制视频的触发器字段是否为Y。触发事件为调用录制视频函数，开始录制；

完成录制：定义以完成录制为命名的触发器按钮并设置Y为响应字段。并在程序中设置每7秒轮询一次数据库状态，查看完成录制的触发器字段是否为Y。触发事件为调用完成录制视频函数，停止录制；

完成实验：整个远程访问的最后一步，定义以完成实验为命名的触发器按钮，触发事件为终止上述调用teamviewer软件的函数。

第二步：实现虚实结合，搭建电气回路实现Automation Studio软件对液压实验台的控制

所述搭建的电气回路由24V电源、指令值模块、控制器模块、指令值指定模块、指令值/实际值显示屏、位置传感器及接线板组成；所述指令值模块、控制器模块、指令值指定、指令值/实际值显示及接线板分别与24V电源连接；

本发明涉及多项液压教学常用的实验项目，其中包括位置控制实验、液压缸慢进与快退实验、节流调速回路实验、容积调速回路实验、容积节流调速回路实验、压力回路实验等；各个实验项目的远程液压实验虚拟仿真建设操作步骤和实现方法没有改变，仅仅是实验项目的元件数量与种类不同，所以第二步发明设计以位置控制实验为例进行详细说明。所述位置控制实验所用的元件包括以比例阀为主的，液压缸、负载液压缸、压力表、二位四通换向阀、减压阀等。

2.1)将位置控制实验的操作指令输入指令值模块并存储

使用上位机将位置控制实验的操作指令信号以plc程序的方式输入到指令值模块中，并点击存储。由于所述指令值模块与控制器模块连接；所述接线板输入端通过接触开关与控制器模块连接；因此，控制器将默认从指令值模块中获取位置控制实验的操作指令；

2.2)将位置传感器连接液压缸和控制器模块

所述位置传感器向外传出信号端与控制器模块连接，位置传感器接受信号装置安装于液压缸的活塞杆端点；位置传感器为拉杆式直线位移传感器，该直线位移传感器把液压缸活塞杆的位移量转换成电信号，并将电信号传给控制器模块进行处理。

2.3)将位置控制实验标定值传入指令值指定模块

所述指令值指定模块与接线板相连，之后再讲接线板与控制器模块连接；调节指令值指定模块上的电压，并从小到大的顺序依次输入电压进行标定。需要详细说明的是指令值指定模块与接线板相连以及接线板与控制器模块连接均通过接触开关实现；

2.4)连接其它辅助电气模块

所述指令值/实际值显示屏与控制器模块连接，指令值/实际值显示屏主要负责接收控制器模块数据并通过图形与数字的形式显示；并将各个电气模块接到24V电源接口。

2.5)配置液压实验台上位机环境，使Automation Studio软件与液压实验台上位机usb接口对接

所述Automation Studio安装于液压实验台的上位机端，是Famic公司开发的一款液压系统仿真软件，主要特点是设计快捷高效，并集成了电气控制、自动化系统、机械系统仿真，可以实现电液控制的动态仿真和其他软件的联合仿真。配置液压实验台上位机环境，将Automation Studio硬件驱动以管理员的身份安装在液压实验台的上位机端，使Automation Studio软件与上位机usb接口取得信号连接，用以传递命令；所述usb接口与所述指令值模块用转换接口数据线进行连接，使得Automation Studio软件通过电气回路间接控制液压实验台。

第三步：组建闭环的反馈系统，建立学生与液压实验台联系

该反馈系统的硬件部分由液压实验台、网络高清球机、网络硬盘录像机、交换机、球机支架、路由器、摄像机电源、客户端电脑。所述液压实验台主要用于液压技术的教学培训，模块化的结构设计和元件的可快速拆接安装是该液压实验台的主要特点。

3.1)安装网络高清球机，对网络高清球机进行预置点设置

其中所述网络高清球机连接独立的摄像机电源并安装于球机之上，且面向所述液压实验台上半区获取液压实验台布局以及运行情况；所述网络硬盘录像机和交换机与网络高清球机通过接口互联；

硬件安装完毕后，将控制网络高清球机的配置平台安装于液压实验台上位机端。在配置平台主菜单中的通道管理中设置预置点，对每个压力表、量筒以及液压缸位移标尺均设置至少一个预置点；

3.2)为实验室端的设备配置网络

路由器安装于实验室有线网口附近；所述液压实验台共有3台，且每个实验台均配置上位机用于接收网络与安装控制硬件设备的Automation Studio软件；所述上位机端安装无线网络接受端口以获得无线网络；

客户端通过teamviewer软件访问以接入路由器的液压实验台上位机，并打开上位机端的网络高清球机的配置平台。启动配置平台后，网络高清球机将开始获取液压实验台实时数据，网络硬盘录像机通过网络高清球机采集数据，网络硬盘录像机采集数据后进行编码，产生图像。交换机将网络硬盘录像机产生的图像上传到液压实验台的上位机。客户端通过teamviewer软件即可在网络高清球机的配置平台上观看实时图像。

到此为止，反馈系统已经组建完成。通过该系统学生可获取实验室液压实验台视频，并通过预置点控制网络高清球机。

且本发明的虚实结合的远程液压实验教学系统中包含了以移动端为载体的传递信息方式，实现了实验室设备与移动端的连接，方便参与人员随时随地预约实验。其中虚实结合部分为学生通过远程调用实验台上的Automation Studio软件进行仿真模拟液压回路，并可根据学生本身的想法对液压回路进行修改、优化，最后连接DS4实验台进行实际操作。该系统还添加了网络高清Mini球机、网络硬盘录像机、交换机、球机支架、路由器等设备组成的反馈系统，学生通过该反馈系统可以察看DS4实验台的实时运行情况。

如前所述，虽然根据液压虚拟实验室案例所限定的例子、附图进行了说明，但对本技术领域具有一般知识的技术人员来说能从上述的记载中进行各种修改、调整、替换以及变形。若与本发明的技术中所说明的方法相不同的顺序来进行，或根据与说明的系统、结构、装置、电路等构成要素所说明的方法相不同的形态进行结合或组合，或根据其它构成要素或均等物进行替换或置换也可达成适当的效果。对于本发明来说，在不脱离本发明构思的前提下，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种虚实结合的远程液压实验教学系统，其特征在于以下步骤：

第一步：调用teamviewer软件实现远程访问，并额外设置6个触发按钮：

所述远程访问是指学生客户端能够在远端实现对液压实验台上位机桌面的控制，通过启动teamviewer远程连接，远程访问软件获取实验室液压实验台上位机的访问权；

所述额外设置6个触发按钮分别对应开始远程、请求开泵、录制视频、完成录制、请求关泵及完成实验；

开始远程部分是该远程访问软件初步运行时，该部分可通过网络实现对远程访问软件的持续更新；当开始远程运行时，远程访问软件将从实验项目库中获取信息；所述请求开泵是该远程访问软件的第一次交流按钮，通过液压实验台的音响对实验室的实验员下达开始命令；所述录制视频是该远程访问软件所设立的监督部分，通过对客户端电脑的屏幕进行定时间取帧的方式获取视频；所述完成录制是该远程访问软件录制视频按钮的结束控制，对录制视频监督部分进行停止取帧处理并终结录制视频的运行；所述请求关泵是该远程访问软件第二次交流按钮，通过液压实验台的音响对实验室的实验员进行命令下达终止命令；所述完成实验该远程访问软件的运行终止软件，该完成实验组件对teamviewer远程连接进行协议终止；

第二步：搭建电气回路实现Automation Studio软件对液压实验台的控制，实现虚实结合：

所述搭建的电气回路包括24V电源及与其相连的指令值模块、控制器模块、指令值指定模块、指令值/实际值显示屏、位置传感器及接线板；所述指令值模块与控制器模块连接；位置传感器的向外传出信号端与控制器模块连接，其接受装置安装在液压实验台操作平台上；指令值/实际值显示屏与控制器模块连接，负责接收控制器模块数据并通过图形与数字的形式显示；接线板输入端通过接触开关分别与指令值指定模块和控制器模块连接，输出端与液压实验台上的液压元件连接，起到信号传递作用；

所述Automation Studio安装于液压实验台的上位机端，用以传递命令，可以实现电液控制的动态仿真和其他软件的联合仿真；

实验员在液压实验台上根据实验项目液压回路图，固定每个液压元件的位置，并用油管连接各个液压元件组成实际液压回路，同样，对于电气回路，实验员需在液压实验台上根据实验项目电气回路图搭建实际电气回路；学生通过远程访问液压实验台的上位机端Automation Studio软件，根据具体项目的液压回路图和电气回路图进行虚拟仿真液压回路连接及电气回路图的连接；操作Automation Studio软件过程中，在不对实验的各个液压回路功能做修改的前提下，学生可以根据本身的想法对液压回路元件的位置以及油管连接的布局进行修改，同样，在搭建虚拟电气回路时，学生可以根据本身想法对放大系数等电气参数进行修改；最后将虚拟仿真回路与实际回路进行连接，验证学生的虚拟仿真液压回路是否正确；

第三步：组建闭环的反馈系统，建立学生与液压实验台联系

该反馈系统的硬件部分包括液压实验台、网络高清球机、网络硬盘录像机、交换机、路由器、客户端电脑；

3.1)安装网络高清球机，对网络高清球机进行预置点设置

所述的网络高清球机与摄像机连接并安装于球机之上，且面向液压实验台上半区获取液压实验台布局以及运行情况；所述网络硬盘录像机分别与网络高清球机、交换机通过接口互联，系统通过交换机将获取的液压实验台信息上传到液压实验台上位机；

硬件安装完毕后，将控制网络高清球机的配置平台安装于液压实验台上位机端；并在配置平台主菜单中的通道管理中设置实验元件的预置点；

3.2)为实验室端的设备配置网络

所述液压实验台主要用于液压技术的教学培训，能够进行模块化的结构设计和元件的快速拆接安装，液压实验台与上位机连接，用于接收网络与安装控制硬件设备的Automation Studio软件；所述上位机端能够获得无线网络；所述的客户端电脑通过网络与液压实验室的网络硬盘录像机进行连接；所述网络硬盘录像机连接计算机设置预置点用以控制网络高清球机以建立闭环的反馈系统反馈调节功能；

3.3)使用teamviewer软件、网络高清球机的配置平台调动反馈系统硬件

客户端通过teamviewer软件访问以接入路由器的液压实验台上位机，并打开上位机端的网络高清球机的配置平台；由步骤3.1)、3.2)的连接方式可知，启动配置平台后，网络高清球机将开始获取液压实验台实时数据，网络硬盘录像机通过网络高清球机采集数据，网络硬盘录像机采集数据后进行编码，产生图像；交换机将网络硬盘录像机产生的图像上传到液压实验台的上位机；客户端通过teamviewer软件即可在网络高清球机的配置平台上观看实时图像。