一套面向机电类专业的系统化虚拟仿真实验平台的研发

　　摘要：为了解决职业技术院校实验教学资源不足、教学效果不佳等问题， 提高学生的实践技能， 培养综合素质全面的复合型人才， 在原有的电气控制与PLC、液压与气动、自动化生产线等实验课程的基础上进行了改革， 设计开发了一套面向机电类专业的系统化虚拟仿真实验平台。它集选件、布线、装配、调试、维修于一体， 涵盖多门专业课程的理论知识， 可供课上集中实验教学和课下模拟仿真练习使用。通过层次化的案例设计， 让学生逐渐成为实验过程的主体。实践效果表明， 该虚拟实验平台可以调动学生的主动参与性， 帮助学生快捷领悟核心专业技术的操作要领， 提高解决工程实践问题的能力和科技创新的潜力。

　　关键词：机电专业； 虚拟仿真实验平台； 实践课程改革

　　Abstract:

　　This paper proposes a systematic virtual simulation experiment patform for machanotronocs major, based on the reform of some previous antomatic control experiments like electrical control and PLC, hydraulic and pneumatic, automatic paroductionn line, etc., aiming at solving the problem of insufficient experimental resources and poor teaching effct in vocational and technical colleges, improving the studengts' pactical skills and cultivationg all-sided comprohensive talents. The proposed plateform integrates selecting, wiring, assembling, debugging and repairing, and involves theoretical knowledge of many professional coursea. The platform can be used to concentrate on experimental teaching in class and simulation practice out of class. Through the hierarchical design of the case, so that students gradually become the main body of the experimental process. Pratical results show that the patform can mobilize the students' active participation, having a rapid grasp of the key technology of the operation, enhance the ability of solving engineering practical problems and the potential of technological innovation.

　　Keyword:machanotronocs major; virtual simulation experiment patform; experimental reform;

目录

　　1引言..............................................................1

　　2虚拟仿真实验平台的总框架..............................................................2

　　3基础实验案例..............................................................3

　　3.1传统的电气控制方式继电接触器控制..............................................................4

　　3.2液压与气动控制实验..............................................................4

　　3.3 PLC控制实验..............................................................4

　　4综合实验案例..............................................................5

　　4.1基于气动-PLC的典型工业控制实验..............................................................6

　　4.2典型生产加工流程控制与优化实验..............................................................6

　　5学习效果反馈..............................................................7

　　6结束语..............................................................8

　　文内图表..............................................................9

　　图1虚拟仿真实验内容的总框架..............................................................10

　　图2三相异步电动机的正反转控制连接效果图..............................................................10

　　图3自动换向回路控制系统..............................................................10

　　图4水塔水位控制的三维模型图..............................................................10

　　图5水塔水位控制的装配图..............................................................10

　　图6气动机械手控制系统原理框图..............................................................10

　　表1学习效果和学生反馈情况调查..............................................................10

　　参考文献..............................................................12

　　1引言

　　随着工业自动化程度的不断发展， 实践能力强、创新思维活的人才更容易在未来的职业生涯中脱颖而出[1].而目前职业院校的许多专业课程仍然保留着理论为主， 实践为辅的传统教育模式[2], 少学时的实验教学仅能使学生被动地完成理论知识的验证， 而对他们的实践能力和创新能力很难有所提高[3].

　　近年来， 许多职业院校针对实践性强的课程进行了改革， 但由于受到设备、场地、师资条件的限制仍然没能根本性地解决问题[4,5].以我校机电专业为例， 有些专业核心课程如"电气控制与PLC"、"液压与气动"、"自动化生产线"等， 虽然采用了理论与实践一体化的教学方式， 但由于实验基地建设滞后， 实体设备有限， 学生只能4~5人共用一台设备进行练习， 而教师为了完成基本的教学任务， 往往是安装好设备后提前布线， 学生只能进行简单的编程操作， 不会接触到实物的装配、硬件的组态、系统的调试等环节， 学生常感到枯燥难懂， 缺乏学习的主动性。另一方面， 单一的实验过程让本来完整的教学体系变得支离破碎， 使各门课程的实验成为孤立的教学， 缺乏学科之间的内在联系， 学生很难把零碎的实践技能融会贯通[6].

　　为了解决以上问题， 改善教学效果， 提升学生的综合实践能力和创新能力， 我们借助辽宁远程教育协会的科研项目， 将我校机电专业作为试点， 采取实验单独开课的方式， 构建一个与工程实际联系紧密的多层次、系统化、开放性的综合实验体系， 并引入现代信息化的教学手段， 设计了与实体实验教学共依共存， 相互补充的虚拟仿真实验教学平台。虚拟仿真实验平台的建立不仅缓解了教学资源的不足和师资人员的短缺， 而且还可以进行高成本、高消耗、高风险的综合性实验项目， 达到和工程实例高度一致。由于虚拟仿真平台不受时间和空间的限制， 使每一名学生都可以亲身参与实验中的每一缓解， 如选件、布线、装配、编程、调试、排故等。同时， 实验内容的设计采用模块化结构， 涵盖多门核心课程的理论知识， 将原来分散的实验理念重新整合到一起， 实现了知识框架的连续性， 增强了学生的自主学习意识。此外， 学生可以发挥他们的想象和创新意识， 极大地激发了学生的学习兴趣， 改善了教学效果， 让学生在实践中汲取经验， 解决问题， 掌握工程技术人员必备的知识和技能， 提高了学生的自主探究能力和创新实践能力。

　　2 虚拟仿真实验平台的总框架

　　虚拟仿真实验教学项目包括基础实验和综合实验两部分， 总体框架如图1所示。

　　基础实验以模块化的形式划分了几个基本控制项目， 目的是培养学生具备机电控制常用元器件的认知能力， 学会从识别到选用， 从基本图形符号的辨识到原理图的识读， 从控制元件的布线到回路的装配， 从典型回路的安装到整体系统的调试， 从简单回路的分析到复杂回路的设计等。在整个实验过程中， 运用分层递进式的设计思路， 使学生逐渐加深对机电行业控制方式的理解。由于虚拟平台里的元件库均与实物一一对应， 学生可以建立很强的感性认知， 不再觉得理论知识晦涩难懂， 为下一步的综合实践打下坚实的基础。

　　图1 虚拟仿真实验内容的总框架 

　　综合实验是将所学的基础知识化零为整， 不再片面、孤立地学习某一门课， 而是考查学生综合运用知识解决工程实际问题的能力， 从任务的布置、回路的设计与装配、系统的调试与排故到成果验收， 均由学生自主完成， 教师只是学习任务的引导者， 而学生才是完成任务的主体。在教学方法上， 可以采用角色扮演法， 教师是"管理者", 学生是"执行者", 双方可签订项目合同， 并在规定的时间内上交成果；教师也可以建立一套验收评价体系， 针对项目完成的质量进行打分和点评， 学生可以自主选择合作的"搭档", 并进行任务分工， 实现个体之间的优势互补， 组间可以互相点评和学习。为了让学生更好地熟悉工业现场的检测和维修方法， 平台中还设计了万用表、钳形电流表等虚拟仪器， 轻松实现了在线监控和故障检测。通过综合实验环节的实施， 使学生在自主学习的过程中逐渐提高对机电一体化控制系统的装配、故障诊断、检测与维修、编程与调试的能力， 养成良好的职业素养和团队协作精神， 适应未来的各种环境。

　　3 基础实验案例

　　依据国家职业标准对机电专业学生具备的职业技能的要求， 结合现阶段机电应用领域的实际需求， 我们涉及了一系列有代表性的实验案例， 充分发挥了虚拟实验平台的低成本、零损耗、通用性强的特点[7].

　　3.1 传统的电气控制方式---继电接触器控制

　　目的是让学生掌握常用低压电器的选择和使用， 熟悉电动机控制电路的装配方法， 理解传统控制方式在布线和安装中遵循的规范[8].　　以三相异步电动机的正反转控制为例。首先， 学生可从元件库中选择所需器件， 交流接触器2台， 热继电器1台， 控制开关1个， 熔断器2组， 按钮1组， 三相异步电动机1台。连接效果图如图2所示。

　　图2 三相异步电动机的正反转控制连接效果图  

　　教学环节实施：从电气识图入手， 让学生根据电气原理图选择合适的器件， 再进行组装和调试， 并用虚拟仪表检测控制回路连接的正确性和可靠性， 最后连接电源， 系统运行， 完成控制任务。

　　3.2 液压与气动控制实验

　　目的是让学生加深对液压与气动元件的认识和理解， 掌握液压与气动控制系统的组成、基本原理和一般的调试方法[9].

　　以自动换向回路为例。所需元件有液压缸1个， 三位四通电磁换向阀1个， 溢流阀1个， 液压泵1台， 交流接触器5台， 绕线式电动机1台。

　　实验基本要求：学习常用液压与气动元件的功能、结构和应用；学会独自搭建基本回路；能利用虚拟压力表测量回路的动态数据；能根据测量数据绘制系统性能曲线。控制回路连接情况如图3所示。

　　3.3 PLC控制实验

　　目的是让学生掌握PLC基本指令、功能指令的应用， 能用PLC对简单工控过程进行程序设计[10].本实验平台提供三菱和西门子两大主流的PLC且自带编程软件， 无需额外安装， 可通过"编辑程序"、"导入程序"等操作完成地形图的编写和下载。

　　图3 自动换向回路控制系统  

　　教学设计思路：将工业生产中的某一环节分离出来， 经过简化处理成为一个控制任务， 学生根据控制要求先进行PLC的选型， 然后进行I/O地址分配和硬件接线， 在进行梯形图的编制， 下载和调试。

　　图4 水塔水位控制的三维模型图  

　　以水塔水位装置控制为例， 用三菱PLC完成控制任务。该实验的三维模型图如图4所示， 电路装配图如图5所示。

　　4 综合实验案例

　　4.1 基于气动-PLC的典型工业控制实验

　　目的：提高学生解决工业控制实际问题的能力。案例：以基于PLC的气动机械手控制为例。

　　要求：设计气动控制回路并进行原理图的绘制， 根据设计好的气动回路选择PLC的型号， 并完成地址分配和硬件接线， 编制梯形图程序， 并进行调试。为保证系统的可靠运行， 还需设置一个超程报警灯和手动复位按钮。如图6所示为气动机械手控制系统原理图。

　　4.2 典型生产加工流程控制与优化实验

　　目的：使学生熟悉一个完整的几点生产流程。案例：装配流水作业生产线仿真模拟。

　　要求：灵活运用几点控制的理论与方法处理生产系统的设计、规划和优化；通过多台PLC之间的通信， 实现系统各分站之间的集中管理、分散控制；分析并解决企业生产管理中的一些实际问题， 为今后的毕业实习和工作打下良好基础。

　　图5 水塔水位控制的装配图  

　　图6 气动机械手控制系统原理框图  

　　5 学习效果反馈

　　虚拟实验平台可以使学生在短时间内掌握多种实践操作技能。在基础实验部分， 学生可单人操作， 逐渐提升个人职业素养和创新意识；在综合实验部分， 可分组操作， 着重培养学生的分工协作能力和团队意识。学生在完成实验后， 要以实验报告的形式总结经验、查找不足， 使学生在不断实践中得到成长和锻炼。经过一段时间的推广和应用， 我们对机电专业学生的学习效果进行了跟踪调查， 得到的学生反馈情况如表1所示。

　

　　表1 学习效果和学生反馈情况调查

　　6 结束语

　　本虚拟仿真实验平台不仅弥补了传统实验浅层教学的不足， 而且加强了学生的工程实践能力和创新思维能力， 让学生成为实验过程的主体， 通过完成系统化的实验任务， 拉近了机电一体化教学与生产实际的距离， 该虚拟平台可为培养机电专业的高端技能型人才提供有力支撑。但过于理想化的虚拟实验环境并不能完全替代实物实验， 使用时应注意与实体实验的灵活切换， 一方面利用虚拟实验的快捷性使学生迅速掌握操作要点；另一方面还要利用实体实验的真实性让学生在实践中查缺补漏， 从而实现虚实结合、相得彰益， 丰富了教学手段， 提高了教学效果， 也提升了学生的职业能力， 具有较好的推广价值。

　　参考文献
　　[1]刘宏达， 徐颖， 王科俊， 等。电气控制综合实验平台设计与探索[J].实验技术与管理， 2016, 33 （5） :69-77.
　　[2]蒙艳玫， 唐治宏， 董振， 等。机械工程虚拟仿真实验教学体系的研究与实践[J].实验技术与管理， 2016, 33 （5） :109-112.
　　[3]廖伟彪。"网络虚拟实验教学平台"的设计研究[J].赤峰学院学报 （自然科学版） , 2016, 32 （2） :263-264.
　　[4]杨强， 金贞姬。构建我校大学物理虚拟实验网络教学平台的研究[J].长春大学学报， 2007, 17 （4） :87-88.
　　[5]续志学。关于高等院校建立虚拟教学实验室网络平台的探讨[J].实验教学， 2011 （18） :124-126.
　　[6]徐万红， 张天琪。基于X3D的零件测绘网络虚拟平台研究[J].机械工程师， 2016 （2） :71-73.
　　[7]马忠丽。基于交互式Flash技术的网络虚拟实验平台在自控元件实验教学中的应用[J].实验室科学， 2008 （10） :111-113.
　　[8]陈芝旭， 陈森， 魏婧， 等。基于网络平台的虚拟购物研究与实践[J].商业经济， 2013 （6） :83-84.
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　　[10] 刘玄。支持Open Flow与路由器虚拟化的网络实验平台设计与实现[M].北京：北京邮电大学， 2014.