智能制造虛擬仿真實踐教學(xué)模式構(gòu)建

王子輝 康 敏 費正順

(浙江科技學(xué)院 機器人產(chǎn)業(yè)學(xué)院 自動化與電氣工程系, 杭州 310023)

隨著國家“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的快速推進,工業(yè)自動化領(lǐng)域產(chǎn)生了重大技術(shù)變革,現(xiàn)代智能制造企業(yè)通過智能化的感知、人機互動、決策和執(zhí)行技術(shù),實現(xiàn)了信息獲取、智能控制與裝備制造的深度融合。近年來工科高校普遍開展了面向能力產(chǎn)出的工程教育專業(yè)認(rèn)證,其通用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)劃了現(xiàn)代工程師素質(zhì)能力的12項畢業(yè)要求,引導(dǎo)高校制定有針對性的專業(yè)培養(yǎng)方案[1-3]。2019年,浙江科技學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)通過了工程教育專業(yè)認(rèn)證,在專業(yè)培養(yǎng)方案中開設(shè)了面向工業(yè)智能制造領(lǐng)域的“電氣控制與可編程控制器”核心課程,課程內(nèi)容涉及可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)基本原理及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方法,適用于智能制造領(lǐng)域的邏輯控制、過程控制和運動控制等工程實踐場景。

高校應(yīng)用類課程教學(xué)存在一個共性特征,即其實踐教學(xué)環(huán)節(jié)均需要結(jié)合工程實際,構(gòu)建一個綜合性強的實驗環(huán)境,以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[4-6]。然而真實的工業(yè)環(huán)境往往具有大體量、高成本、高消耗、封閉操作等特點,有時涉及高危環(huán)境,這與學(xué)校實踐教學(xué)中注重“穩(wěn)定、安全、兼容”的要求相矛盾[7-9]。在以往的PLC課程實踐教學(xué)中,通常采用簡易的實驗?zāi)M裝置,但硬件模擬裝置的實驗環(huán)境與真實應(yīng)用場景不符,不具備工業(yè)系統(tǒng)的典型特征,從而限制了學(xué)生對復(fù)雜工程問題的深入理解。因此,可采用虛擬仿真教學(xué)平臺實現(xiàn)安全高效且更貼近工業(yè)現(xiàn)場的理論和實踐教學(xué)。

虛擬仿真教學(xué)作為高校實踐性教學(xué)的一種新形式,融合了現(xiàn)代信息技術(shù)與實踐教學(xué)內(nèi)容,從人機交互、智能感知、虛擬現(xiàn)實、決策控制等多方面提升實驗項目的教學(xué)效果和吸引力,其教學(xué)過程直觀、便捷、靈活[10-12]。以“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”所采用的西門子-德普羅爾虛擬仿真平臺為例,該系統(tǒng)涵蓋了控制器、傳感器、執(zhí)行器等多種實體元素,以及工業(yè)通訊、控制算法等軟件元素,并涉及安全、能耗等多種技術(shù)和非技術(shù)因素,可充分支撐工程教育專業(yè)認(rèn)證中對于“應(yīng)用工程知識分析問題”“設(shè)計開發(fā)解決方案”“使用現(xiàn)代工具開展科學(xué)研究”以及“環(huán)境安全可持續(xù)發(fā)展”等方面的核心要求[13-15]。因此,虛擬仿真教學(xué)模式可為學(xué)生提供了一個安全可靠、簡單直觀的實踐環(huán)境,以便他們深入理解工業(yè)自動化系統(tǒng)從設(shè)計、測試到優(yōu)化的全過程,達到良好的教學(xué)效果。

1 智能制造實踐教學(xué)體系構(gòu)建

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計劃,構(gòu)建包含基礎(chǔ)能力培養(yǎng)、實踐能力培養(yǎng)和綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的三層遞進教學(xué)模式。教學(xué)過程持續(xù)3個長短學(xué)期,教學(xué)內(nèi)容由簡單到復(fù)雜循序漸進,并融入基于虛擬仿真平臺的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)和競賽教學(xué)環(huán)節(jié),如圖1所示。

圖1 三層遞進式PLC實踐教學(xué)體系

1.1 理論教學(xué)中的基礎(chǔ)素質(zhì)培養(yǎng)

PLC課程實驗環(huán)節(jié)主要采用經(jīng)典案例教學(xué)法,如表1所示。以智能制造生產(chǎn)過程中的典型邏輯和通用方案為例,設(shè)計由易到難的實驗任務(wù),要求學(xué)生采用西門子博途軟件對目標(biāo)任務(wù)進行編程,通過PLCSIM仿真功能驗證程序邏輯思路的正確性。基礎(chǔ)教學(xué)旨在教授學(xué)生如何銜接理論知識與編程實際,為后續(xù)在虛擬仿真平臺上進行實踐與創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。

1.2 實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用能力培養(yǎng)

實踐教學(xué)基于軟硬件結(jié)合的虛擬仿真實驗被控對象,如圖2所示。該平臺以西門子S7-1200/1500 PLC為控制核心,擁有“電梯實踐仿真”“三級液位仿真”“風(fēng)力發(fā)電仿真”等多種仿真對象,分別涉及“離散自動化”“過程自動化”和“能源技術(shù)”等工業(yè)熱門領(lǐng)域,包含邏輯控制、過程控制與運動控制。以智能制造復(fù)雜工程問題為任務(wù)對象,訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力,實現(xiàn)課堂理論教學(xué)與項目工程實踐的有效銜接。

圖2 三維可視化PLC虛擬仿真實踐平臺

1.3 競賽教學(xué)環(huán)節(jié)中的創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)

西門子“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”和羅克韋爾“中國工業(yè)智能挑戰(zhàn)賽”是智能制造領(lǐng)域具有代表性的大學(xué)生學(xué)科競賽,重點考核學(xué)生自主研究、系統(tǒng)設(shè)計、分析調(diào)試以及協(xié)作創(chuàng)新的能力。依托虛擬仿真實踐平臺開展大學(xué)生學(xué)科競賽專項訓(xùn)練,培訓(xùn)內(nèi)容與競賽緊密關(guān)聯(lián),涉及PLC控制器、傳感器、驅(qū)動執(zhí)行器、通訊系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)等多種工業(yè)元素,并融入先進控制算法,可進一步提高參賽學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新能力,同時也培養(yǎng)團隊合作精神。系統(tǒng)模型、控制邏輯和評分系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實踐平臺競賽專項訓(xùn)練

2 虛擬仿真實踐平臺教學(xué)實例

離散自動化電梯虛擬仿真實踐平臺是智能制造的一類典型復(fù)雜工程應(yīng)用場景,包含經(jīng)典的電氣邏輯控制過程和優(yōu)化控制算法,并涉及到人機交互、安全節(jié)能、受眾體驗等非技術(shù)因素,與專業(yè)認(rèn)證要求相匹配?？紤]到項目任務(wù)的綜合性和復(fù)雜程度,將課程設(shè)計和競賽培訓(xùn)劃分為“單任務(wù)分解”“多任務(wù)整合”和“群任務(wù)優(yōu)化”三個循序漸進的教學(xué)階段,教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計如圖4所示。

2.1 單梯子任務(wù)分解

該實踐平臺提供了單部6層電梯的虛擬被控模型,通過以太網(wǎng)實現(xiàn)了編程環(huán)境、控制器以及被控對象三者之間的數(shù)據(jù)通信。指導(dǎo)學(xué)生使用“順序功能設(shè)計法”完成單梯上下運行、延時開關(guān)門控制、停層多級制動控制、樓層計數(shù)顯示和按鈕邏輯判斷等子任務(wù)功能,鍛煉學(xué)生面向單一目標(biāo)任務(wù)的編程能力。由于分解后的各子任務(wù)之間不存在功能耦合,學(xué)生在編程過程中僅需關(guān)注單任務(wù)的實現(xiàn)方法,這就有效降低了初始調(diào)試過程的難度。

2.2 單梯多任務(wù)整合

給出隨機呼梯任務(wù),要求學(xué)生以乘客乘梯需求為目標(biāo)設(shè)計電梯運行流程,整理各子任務(wù)之間的邏輯關(guān)系并進行順序組合,以流程圖的形式撰寫設(shè)計文檔并編程實施。其中,電梯的呼梯觸發(fā)功能較為復(fù)雜,涉及隨機呼叫事件與電梯運行工況的耦合響應(yīng)機制,充分考察學(xué)生的復(fù)雜邏輯分析能力。此外,仿真平臺可提供乘客客流測試模型,由后臺統(tǒng)計運行時間、運行能耗、故障信號觸發(fā)次數(shù)等指標(biāo)并得出分?jǐn)?shù),以評價學(xué)生程序的運行性能,實現(xiàn)可評價的閉環(huán)教學(xué)過程。

2.3 多梯群控流程優(yōu)化

在實現(xiàn)單部電梯功能的基礎(chǔ)上,通過虛擬仿真平臺提供的多部電梯群控模型,優(yōu)化群控算法策略使電梯被合理地調(diào)用,達到快速響應(yīng)呼梯信號、提高乘客上下樓效率的目的。在群控策略的研究過程中,學(xué)生可針對電梯運行時間、乘客候梯時間和電梯能耗等因素構(gòu)建最短時間尋優(yōu)、最短距離調(diào)度、最優(yōu)整體能耗等多目標(biāo)決策模型,采用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等智能控制策略設(shè)計綜合評價函數(shù),并通過隨機客流模型檢驗控制邏輯的安全性、可靠性與載客效率。其后臺評分結(jié)果可作為專業(yè)認(rèn)證中實踐課程教學(xué)效果的量化評價指標(biāo)。

3 教學(xué)效果分析

3.1 面向?qū)I(yè)認(rèn)證的工程實踐能力產(chǎn)出效果

智能制造虛擬仿真實踐中被控對象的工程模擬效果與真實對象相近,學(xué)生可在實踐中積極開展思考與討論,在反復(fù)調(diào)試、刷分的過程中激發(fā)興趣,收獲成就感。通過多個階段的虛擬仿真實踐訓(xùn)練,學(xué)生能力的提升主要表現(xiàn)在兩個方面:①復(fù)雜工程問題解決能力。學(xué)生在完成課程任務(wù)后,不僅掌握了電氣原理、編程技能、控制策略和核心算法,又積累了工程經(jīng)驗,畢業(yè)后可直接將實踐成果無縫銜接應(yīng)用于企業(yè)工程項目;②團隊協(xié)作能力。實踐過程中3人一組,對程序的功能模塊劃分、標(biāo)準(zhǔn)接口定義、多任務(wù)整合、調(diào)用流程優(yōu)化等子任務(wù)進行合理的團隊分配,以適應(yīng)后續(xù)工程項目開發(fā)中的團隊協(xié)作需求。經(jīng)過連續(xù)三年的教學(xué)實施周期,學(xué)生對該課程的教學(xué)滿意度情況逐年上升,反饋的教學(xué)質(zhì)量評價分如圖5所示。

3.2 學(xué)科競賽取得的成果

通過課程期末考試、課程設(shè)計成果評定和競賽測試選拔,遴選學(xué)生參加西門子“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”和羅克韋爾“中國工業(yè)智能挑戰(zhàn)賽”。參賽以來,學(xué)生在該實踐教學(xué)模式的培訓(xùn)下獲得了較多成績,如“中國智能制造挑戰(zhàn)賽”全國初賽二等獎、三等獎,“中國工業(yè)智能挑戰(zhàn)賽”國家一等獎3項、二等獎4項等,參賽學(xué)生憑借實踐和競賽的經(jīng)驗積累,在就業(yè)面試和研究生復(fù)試答辯中脫穎而出。

4 結(jié)語

結(jié)合先進虛擬仿真技術(shù)開展遞進分段式可編程控制器課程實踐教學(xué),學(xué)生受益面大,興趣濃厚,自主學(xué)習(xí)能力增強,實踐創(chuàng)新能力顯著提高,同時各教學(xué)環(huán)節(jié)的安全性也得到充分保障。該多層次實踐教學(xué)體系可靈活拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度,提升實踐教學(xué)的質(zhì)量和水平,實現(xiàn)從課程支撐、能力整合到評估量規(guī)的工程教育認(rèn)證閉環(huán)成果導(dǎo)向機制。該教學(xué)模式經(jīng)過完整實施周期后,學(xué)生的工程素養(yǎng)和實踐能力顯著提高,畢業(yè)時具備的知識能力能夠精準(zhǔn)契合智能制造企業(yè)的用人需求。