丁金華， 李明穎， 王德權(quán)， 高 騰， 丁明亮， 劉賢達(dá)， 王魁一

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

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虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)

丁金華， 李明穎， 王德權(quán)， 高 騰， 丁明亮， 劉賢達(dá)， 王魁一

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)由上下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)觸摸屏(或PC機(jī))與下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)采用RS485相連，基于MODBUS協(xié)議通信。上位機(jī)觸摸屏(或PC機(jī))上的虛擬機(jī)電設(shè)備檢測(cè)控制端口通過(guò)下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際端子與學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)的PLC或單片機(jī)控制系統(tǒng)上的IO口端子相連，構(gòu)成了虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)。下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)由一個(gè)主模塊和多個(gè)級(jí)聯(lián)副模塊構(gòu)成。上位機(jī)的虛擬機(jī)電設(shè)備采用可視化組態(tài)軟件MCGS完成，下位機(jī)采用Keil C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。舉例說(shuō)明了典型機(jī)電一體化產(chǎn)品XY數(shù)控工作臺(tái)和壓蠟機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)。

虛擬仿真平臺(tái)； 機(jī)電設(shè)備控制； 數(shù)控工作臺(tái)； 壓蠟機(jī)

機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行離不開(kāi)控制系統(tǒng)。常用機(jī)電設(shè)備的控制系統(tǒng)有PLC控制系統(tǒng)[1]、嵌入式控制系統(tǒng)[2]、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[3]等。機(jī)電控制系統(tǒng)的教學(xué)涉及機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)多門(mén)核心課程，例如“可編程序控制器原理及應(yīng)用”、“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”、“工業(yè)可視化監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)用”、“微機(jī)原理與應(yīng)用”、“傳感器與測(cè)試技術(shù)”、“電氣控制技術(shù)”、“機(jī)械制造工程基礎(chǔ)”和“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。通常購(gòu)置機(jī)電設(shè)備需要較多資金，即使學(xué)校實(shí)驗(yàn)室已有一些典型機(jī)電設(shè)備，也因?yàn)閿?shù)量不多，不能用作被控對(duì)象讓每個(gè)學(xué)生進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試。而完全通過(guò)軟件仿真，雖然能讓學(xué)生了解機(jī)電設(shè)備的工作過(guò)程，卻很難讓學(xué)生通過(guò)PLC或嵌入式系統(tǒng)的軟件編程與調(diào)試得到鍛煉。為此，構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)[4]，既可讓學(xué)生了解機(jī)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、工作原理和工作流程，又可以將PLC或嵌入式系統(tǒng)通過(guò)IO口與之相連，控制虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行，達(dá)到與控制實(shí)際機(jī)電設(shè)備一樣的效果[5-8]。

1 虛實(shí)結(jié)合機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)硬件如圖1所示。仿真硬件平臺(tái)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)利用串行通信進(jìn)行級(jí)聯(lián)，將主模塊、級(jí)聯(lián)模塊等多個(gè)主副控制器連接起來(lái)，以滿(mǎn)足不同機(jī)電設(shè)備的IO口需要。

圖1 虛實(shí)結(jié)合機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)硬件

上位機(jī)機(jī)電設(shè)備仿真界面實(shí)際是真實(shí)機(jī)電設(shè)備的虛擬影像，但可以與下位機(jī)通過(guò)RS485(或RS232)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)或命令通信。仿真界面上的每一個(gè)機(jī)電元件的電氣接口都與下位機(jī)的輸入輸出端子相對(duì)應(yīng)，因而可被其他系統(tǒng)檢測(cè)與控制。

下位機(jī)負(fù)責(zé)將上位機(jī)的各機(jī)電元件、電氣接口連接到真正的端子上，同時(shí)機(jī)電元件的通斷狀態(tài)(開(kāi)關(guān)量)或電平(模擬量)也表現(xiàn)在端口處。這樣，學(xué)生設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)際的導(dǎo)線(xiàn)和端口與被控的上位機(jī)中的虛擬機(jī)電設(shè)備相連接。

1.1 上位機(jī)

上位機(jī)可以使用MCGS觸摸屏或PC機(jī)，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。MCGS觸摸屏采用RS485接口與主控器相連，PC機(jī)采用RS232接口與主控器相連。上下位機(jī)利用MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信。

1.2 下位機(jī)

下位機(jī)主控芯片采用嵌入式微處理器STM32F103R8T6進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。主模塊含有12路IO隔離輸出接口、10路IO隔離輸入接口、1路RS232接PC機(jī)、1路RS485接觸摸屏HMI、1路RS485用于級(jí)聯(lián)控制器，以擴(kuò)展IO口的數(shù)量或功能(見(jiàn)圖1)。擴(kuò)展數(shù)字IO口的級(jí)聯(lián)模塊可以用主模塊來(lái)代替，擴(kuò)展模擬IO口的級(jí)聯(lián)模塊選用模擬量模塊。模擬量模塊含有4路DC 4～20 mA輸入通道和4路DC 4～20 mA輸出通道。

開(kāi)關(guān)量輸入接口可連接光電傳感器、霍爾元件傳感器、行程開(kāi)關(guān)、位置開(kāi)關(guān)、按鍵按鈕、編碼器等數(shù)字輸入量。

模擬量輸入接口可連接溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等模擬信號(hào)輸入。模擬量輸入接口設(shè)計(jì)為工業(yè)常用的DC 4～20 mA輸入信號(hào)形式。

開(kāi)關(guān)量輸出接口可連接繼電器、接觸器、閥門(mén)、缸體、指示燈、步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)控制信號(hào)等數(shù)字量輸出信號(hào)。

模擬量輸出接口可連接變頻器控制信號(hào)、閥門(mén)位置等模擬量輸出信號(hào)。模擬量輸出接口設(shè)計(jì)為工業(yè)常用的DC 4～20 mA輸出信號(hào)形式。

通信接口采用RS232和RS485兩種硬件接口形式，可按照MODBUS通信協(xié)議進(jìn)行通信，用于交換數(shù)據(jù)與命令。

2 虛實(shí)結(jié)合機(jī)電設(shè)備仿真平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)電設(shè)備仿真平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)同樣包含上位機(jī)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 上位機(jī)機(jī)電設(shè)備仿真界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)機(jī)電設(shè)備仿真界面采用工業(yè)組態(tài)軟件MCGS來(lái)完成。利用MCGS的設(shè)備窗口完成上位機(jī)與下位機(jī)通信設(shè)置、數(shù)據(jù)和命令交換。在MCGS的用戶(hù)窗口，采用圖形對(duì)象、圖元對(duì)象、圖符對(duì)象實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的仿真界面設(shè)計(jì)，經(jīng)變量連接，可以完成機(jī)電設(shè)備的仿真運(yùn)行。在MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可以設(shè)置機(jī)電設(shè)備的變量；在運(yùn)行策略里進(jìn)行腳本程序的編寫(xiě)。

2.2 下位機(jī)嵌入式控制器軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用Keil MDK C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的變量數(shù)據(jù)交換，從而在下位機(jī)嵌入式控制器的IO口端子通過(guò)高低電平(開(kāi)關(guān)量和模擬量)表現(xiàn)其工作狀態(tài)。具體包括2部分的內(nèi)容。

(1) 通信模塊。通信模塊包括3部分：①與上位機(jī)觸摸屏或PC機(jī)基于MODBUS通信協(xié)議的通信程序，所編寫(xiě)的通信程序能夠完成MODBUS常用的功能命令，也可根據(jù)需要進(jìn)行添加；②與級(jí)聯(lián)的控制模塊相連的通信程序(為了統(tǒng)一起見(jiàn)，也采用MODBUS協(xié)議完成控制板級(jí)聯(lián)程序)，主控制器為主，其他級(jí)聯(lián)模塊為從；③第2路RS485作為自由口，以備與其他通信協(xié)議的模塊相連，例如可用作讀取伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部寄存器。

(2) 數(shù)據(jù)交換模塊。數(shù)據(jù)交換模塊負(fù)責(zé)解釋觸摸屏或PC機(jī)上虛擬機(jī)電設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)，與下位機(jī)控制的變量實(shí)現(xiàn)連接，然后將對(duì)應(yīng)的輸入輸出數(shù)據(jù)表現(xiàn)在下位機(jī)控制器的IO端口上。

3 典型機(jī)電設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)

虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)可通過(guò)觸摸屏或PC機(jī)的屏幕選取不同的虛擬機(jī)電設(shè)備作為控制對(duì)象。本文以典型的虛擬機(jī)電設(shè)備XY數(shù)控工作臺(tái)和壓蠟機(jī)為例來(lái)說(shuō)明。

3.1 XY數(shù)控工作臺(tái)

XY數(shù)控工作臺(tái)是許多數(shù)控加工設(shè)備和電子加工設(shè)備的基本部件[9-10]，數(shù)控車(chē)床的縱橫進(jìn)刀裝置、激光加工設(shè)備、芯片封裝與表面貼裝設(shè)備、刻字機(jī)等都含有XY工作臺(tái)。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元在X向、Y向運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。學(xué)生使用單片機(jī)編寫(xiě)插補(bǔ)程序，驅(qū)動(dòng)X、Y兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

每個(gè)步進(jìn)電機(jī)至少需要2個(gè)接口控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。若采用方向脈沖方式，則一個(gè)接口的高低電平表示正反轉(zhuǎn)，另一個(gè)接口為旋轉(zhuǎn)脈沖；若采用雙脈沖方式，則一個(gè)接口的脈沖為正轉(zhuǎn)，另一個(gè)接口的脈沖為反轉(zhuǎn)。XY工作臺(tái)的X向、Y向運(yùn)動(dòng)各需一個(gè)電機(jī)，共需4個(gè)控制IO口。虛擬XY數(shù)控工作臺(tái)如圖2所示。

在圖2中，右上角為控制面板，右下角為工作臺(tái)，右中為接口狀態(tài)指示，其中X0.0為X向左移動(dòng)脈沖信號(hào)、X0.1為X向右移動(dòng)脈沖信號(hào)；X0.2為Y向上移動(dòng)脈沖信號(hào)，X0.3為Y向下移動(dòng)脈沖信號(hào)。左面為工作臺(tái)面圖，可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)繪制插補(bǔ)運(yùn)算的移動(dòng)軌跡。

3.2 壓蠟機(jī)

壓蠟機(jī)用于熔模精密鑄造的蠟?zāi)褐芠11-12]，鑄造用蠟?zāi)V泛用于飛機(jī)空氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、醫(yī)療器械、潛艇構(gòu)件、環(huán)保用具、通用機(jī)械、計(jì)算機(jī)以及汽車(chē)等零部件的精密鑄造。壓蠟機(jī)的工作是借助壓蠟裝置和模具，用液態(tài)或膏態(tài)的模料制造出所需要的蠟型。

圖2 虛擬XY數(shù)控工作臺(tái)

圖3為所設(shè)計(jì)的虛擬壓蠟機(jī)界面。虛擬壓蠟機(jī)可實(shí)現(xiàn)合模、開(kāi)模、壓蠟、補(bǔ)蠟、頂模和脫模劑噴射等工作過(guò)程，所涉及的傳感器等變量如表1所示，閥門(mén)及缸體控制變量如表2所示。

圖3 虛擬壓蠟機(jī)

傳感器名稱(chēng)限位信號(hào)所用變量ONOFF備用Y00停止限位傳感器限位1Y0110快慢限位傳感器限位2Y0210補(bǔ)蠟限位傳感器限位3Y0310光電檢測(cè)傳感器光電Y0410脫模劑缸停止傳感器限位4Y0510脫模劑缸換向傳感器限位5Y0610設(shè)備門(mén)限傳感器門(mén)Y0710

表2 虛擬機(jī)的閥門(mén)、缸體信號(hào)及變量

可以將虛擬壓蠟機(jī)作為被控對(duì)象，采用PLC或嵌入式系統(tǒng)控制該虛擬壓蠟機(jī)，進(jìn)行編程控制與調(diào)試，共涉及19個(gè)輸入輸出口參數(shù)和6個(gè)定時(shí)器的控制系統(tǒng)編程。學(xué)生通過(guò)對(duì)壓蠟機(jī)工作原理的學(xué)習(xí)和虛擬壓蠟機(jī)的動(dòng)作仿真、編程與調(diào)試，對(duì)所學(xué)過(guò)的單片機(jī)、PLC等課程的內(nèi)容能融會(huì)貫通，強(qiáng)化了工程實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以做到學(xué)生人手一臺(tái)仿真設(shè)備，使每位學(xué)生都能得到實(shí)際的操作訓(xùn)練。虛實(shí)結(jié)合的機(jī)電設(shè)備控制仿真平臺(tái)克服了資源、時(shí)間、人力等條件的局限，將真實(shí)世界的機(jī)電設(shè)備移植到虛擬環(huán)境中。通過(guò)所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)將設(shè)備的IO口與實(shí)際的端子相連，采用PLC或嵌入式單片機(jī)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，就不再僅僅是模擬，而是可以通過(guò)端子驅(qū)動(dòng)虛擬的機(jī)電設(shè)備工作。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備還可以解決高校普遍存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、型號(hào)落后、難以更新?lián)Q代的困難，構(gòu)建以學(xué)生為主體的實(shí)踐教學(xué)方法，改善實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過(guò)程、提高教學(xué)效果。

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Control simulation platform for mechanical and electrical equipment with virtuality and reality combination

Ding Jinhua， Li Mingying， Wang Dequan， Gao Teng， Ding Mingliang, Liu Xianda, Wang Kuiyi

(Department of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)

The control simulation platform for mechanical and electrical equipment with virtuality and reality combination consists of the master computer and the slave computer. The master computer with touch screen (or PC) and the slave computer with embedded system are connected by RS485, based on the MODBUS protocol communication. Virtual mechanical and electrical equipment testing and control ports on the master computer via the slave computer’s actual terminal could be connected to the terminal of PLC or single-chipped computer control system designed by students. The slave computer with embedded system consists of a main module and multiple cascaded modules. The virtual mechanical and electrical equipment on the master computer is programed by using visual configuration software MCGS, while the slave computers using Keil C. Virtual design on the typical mechatronics product of XY NC sliding table and the wax injection machine are illustrated.

virtual simulation platform; control of mechanical and electrical equipment; NC sliding table; mechatronics

2014- 06- 29

2012年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究立項(xiàng)項(xiàng)目 “多元構(gòu)建實(shí)踐環(huán)境培養(yǎng)機(jī)電學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力”(811)資助；2013年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽項(xiàng)目(2013065) 資助

丁金華(1962—)，男，山東威海，博士，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程.

E-mail：42012450@qq.com

TP391

A

1002-4956(2015)2- 0119- 04