基于VR技術(shù)的電梯電控系統(tǒng)裝調(diào)實(shí)訓(xùn)裝置的研究和設(shè)計(jì)

劉錦江 李 力

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

1 引言

《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》提出了“三教”改革的任務(wù)，其中，教法是實(shí)現(xiàn)“三教”改革的根本途徑[1]，而教學(xué)設(shè)備的革新是教法改革的重要保障。隨著高層建筑越來(lái)越多，電梯的安裝和使用量也急劇增加，電梯行業(yè)的蓬勃發(fā)展也造成了對(duì)相關(guān)安裝、調(diào)試和維護(hù)的人員需求的增加，不少職業(yè)院校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都開(kāi)設(shè)了相關(guān)的課程，其中，電梯的電控系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維修維護(hù)技能的培訓(xùn)是必不可少的一個(gè)部分，因此，非常有必要對(duì)電梯電氣控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試及維修維護(hù)相關(guān)技能的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)革新，以適應(yīng)“三教”改革的需求。

2 系統(tǒng)組成

目前，職業(yè)院?；蛘邫C(jī)構(gòu)的相關(guān)技能培訓(xùn)一般采用按一定比例縮小的機(jī)械模型和電控系統(tǒng)組合的方式進(jìn)行，即采用模型教學(xué)，但由于技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用頻率高，同時(shí)由于是初級(jí)學(xué)員，實(shí)訓(xùn)設(shè)備受損的情況十分常見(jiàn)，這不但增加的教學(xué)成本，也影響到了教學(xué)效率，更不利于新教法的實(shí)施[2,3]。

根據(jù)在長(zhǎng)期實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種電梯電控系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置，裝置采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬與實(shí)物相結(jié)合，電氣控制柜采用真實(shí)的電梯控制系統(tǒng)（包括主控制器、變頻器等電路結(jié)構(gòu)），而電梯機(jī)械部分（包括轎廂、層門(mén)裝置、井道、對(duì)重塊、限速器、軌道等）則采用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本裝置主要用于電梯電氣控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和故障檢修訓(xùn)練，目前市場(chǎng)上電梯控制系統(tǒng)種類繁多，培訓(xùn)單位不可能購(gòu)買到所有種類的電梯來(lái)供學(xué)員進(jìn)行各類操作培訓(xùn)[4,5]，因此本系統(tǒng)采用固定組件和可替換組件的結(jié)構(gòu)，固定組件包括電梯控制按鈕面板、曳引電機(jī)、門(mén)機(jī)電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、下位機(jī)、計(jì)算機(jī)主機(jī)、大屏幕顯示器，可替換組件為電梯電氣控制柜，若要進(jìn)行某一型號(hào)的電梯電氣系統(tǒng)的訓(xùn)練，只需將電梯電氣控制柜替換成該型號(hào)電梯的控制柜，并在虛擬仿真系統(tǒng)中調(diào)用該型電梯的三維模型即可提供該型號(hào)電梯的模擬培訓(xùn)環(huán)境。

該裝置由電梯電氣控制柜、電梯控制按鈕模塊、電機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、仿真模塊、顯示和語(yǔ)音模塊組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，裝置的布置如圖2所示。本裝置中，電梯電氣控制柜是電梯電氣控制系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維修等技能的操作對(duì)象，因此，電梯電氣控制柜采用實(shí)物形式的真實(shí)部件，電機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊包括曳引電機(jī)和門(mén)機(jī)電機(jī)，為降低能耗以及教學(xué)場(chǎng)所的噪音，均采用小功率同類型電動(dòng)機(jī)替代，且在替代電機(jī)上安裝有轉(zhuǎn)速傳感器，將電機(jī)運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集至虛擬仿真環(huán)境[6]。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)布置示意圖

數(shù)據(jù)交換模塊以單片機(jī)控制器為核心，包括數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換電路，將轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量得到的各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)發(fā)送至仿真模塊，并將電梯三維模型中各虛擬行程開(kāi)關(guān)和到位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信息通過(guò)數(shù)據(jù)交換模塊反饋至電梯電氣控制柜中（圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)交換模塊結(jié)構(gòu)圖

仿真模塊主要由高性能計(jì)算機(jī)組成，用于運(yùn)行虛擬仿真軟件，顯示和語(yǔ)音模塊可由大屏幕電視機(jī)和音響設(shè)備組成，用于畫(huà)面和聲音的輸出。

虛擬仿真軟件包括虛擬驅(qū)動(dòng)模塊和電梯三維模型，電梯三維模型包括電梯井道、轎廂機(jī)構(gòu)、虛擬電機(jī)、限速器、對(duì)重塊、緩沖器、層門(mén)裝置、電梯軌道、照明裝置、換氣裝置，以及虛擬行程開(kāi)關(guān)和到位開(kāi)關(guān)等。在虛擬環(huán)境中，虛擬電梯具有樓層顯示、運(yùn)行狀態(tài)顯示、照明等輔助功能，界面設(shè)置有視角轉(zhuǎn)換按鈕，可選擇顯示井道、轎廂內(nèi)、樓層電梯口等視角，有利于學(xué)員對(duì)整個(gè)電梯部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3 系統(tǒng)工作過(guò)程

學(xué)員的訓(xùn)練對(duì)象是電梯電氣控制系統(tǒng)，教師可根據(jù)不同的培訓(xùn)目標(biāo)設(shè)置任務(wù)，如電梯電氣控制系統(tǒng)的安裝、軟硬件調(diào)試、故障檢修訓(xùn)練，學(xué)員完成訓(xùn)練任務(wù)后，將電梯電氣控制柜接入系統(tǒng)中，打開(kāi)上位機(jī)中的虛擬仿真系統(tǒng)軟件，連接下位機(jī)并調(diào)用該型電梯的三維模型，系統(tǒng)進(jìn)入仿真運(yùn)行狀態(tài)（圖4）。

圖4 系統(tǒng)工作流程

如電梯電氣控制柜軟硬件系統(tǒng)都無(wú)故障，則當(dāng)外呼梯按鈕得到指令后，電梯控制柜的控制器通過(guò)柜內(nèi)的門(mén)機(jī)變頻器控制門(mén)機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速并通過(guò)下位機(jī)將該轉(zhuǎn)速傳送至上位機(jī)，虛擬仿真軟件根據(jù)所得轉(zhuǎn)速成比例驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境下的三維電梯門(mén)模型水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電梯門(mén)三維模型打開(kāi)后，設(shè)立于虛擬環(huán)境中的虛擬開(kāi)門(mén)到位開(kāi)關(guān)將開(kāi)門(mén)到位信號(hào)通過(guò)下位機(jī)反饋至電梯控制柜的控制器，控制器控制門(mén)電機(jī)停止運(yùn)行。

當(dāng)內(nèi)呼梯按鈕得到樓層指令后，電梯控制柜的控制器通過(guò)柜內(nèi)的曳引變頻器控制曳引電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速并通過(guò)下位機(jī)將該轉(zhuǎn)速傳送至上位機(jī)，虛擬仿真軟件根據(jù)所得轉(zhuǎn)速成比例驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境下的三維電梯轎廂模型垂向運(yùn)動(dòng)，虛擬環(huán)境中的虛擬樓層行程開(kāi)關(guān)將電梯轎廂位置信息通過(guò)下位機(jī)傳遞給電梯控制柜的控制器，控制器根據(jù)先前寫(xiě)入的控制程序調(diào)節(jié)曳引電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，直到到達(dá)目的樓層。

4 實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)

本裝置可完成電梯電氣控制系統(tǒng)相關(guān)技能實(shí)訓(xùn)，如對(duì)電梯電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)置、調(diào)試、各工況運(yùn)行試驗(yàn)，轎廂起動(dòng)、加速、減速、平層準(zhǔn)確度試驗(yàn)、開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，同樣可以完成電梯控制器程序編寫(xiě)、調(diào)試訓(xùn)練及電氣控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障排除訓(xùn)練等[7]。本裝置的優(yōu)點(diǎn)在于在保證電氣控制系統(tǒng)真實(shí)的同時(shí)還能將電梯的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形象化，通過(guò)虛擬場(chǎng)景觀察到電梯的運(yùn)行，這對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)是十分必要也是十分有幫助的。

在對(duì)電梯電氣控制系統(tǒng)相關(guān)技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行半實(shí)物半虛擬改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對(duì)教學(xué)方法也進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)傳統(tǒng)的課堂模式進(jìn)行突破，將課堂交還給學(xué)生，基于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法，提出以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主線、教師轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂主持人的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，教學(xué)實(shí)施過(guò)程如圖5所示。

圖5 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

在教學(xué)過(guò)程中，教師不再是知識(shí)的灌輸者，而是學(xué)習(xí)流程的引導(dǎo)者和學(xué)習(xí)過(guò)程的監(jiān)督者。以電梯電氣控制系統(tǒng)故障檢修實(shí)訓(xùn)為例，教師在課前發(fā)布相關(guān)背景材料，學(xué)生根據(jù)背景材料對(duì)電梯電氣控制系統(tǒng)故障檢修進(jìn)行初步學(xué)習(xí)，然后教師發(fā)布具體任務(wù)書(shū)，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書(shū)完成知識(shí)和技能的準(zhǔn)備，并通過(guò)小組討論制定具體檢修方案，教師組織學(xué)生對(duì)方案進(jìn)行討論、完善，確認(rèn)可行后即實(shí)施，此過(guò)程中，教師需密切關(guān)注學(xué)生的實(shí)施進(jìn)度，及時(shí)糾正錯(cuò)誤，最后進(jìn)行任務(wù)的評(píng)價(jià)和對(duì)檢修方案進(jìn)行回頭看，提出改進(jìn)，從而獲得技能的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種兼顧教學(xué)效果和資源投入的電梯電氣安裝調(diào)試和故障檢修的半虛擬仿真訓(xùn)練裝置，將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，而作為技能訓(xùn)練對(duì)象的電氣控制柜則采用真實(shí)設(shè)備，以虛實(shí)結(jié)合的方式解決實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的設(shè)備成本、教學(xué)場(chǎng)所、資源消耗等問(wèn)題，為“三教”改革提供基礎(chǔ)保障，本裝置已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)（專利號(hào)：201510562575.7 ）。