一种虚实融合的供收料模块实验教学方法

技术领域

本发明属于PLC教学领域，具体涉及一种虚实融合的供收料模块实验教学方法。

背景技术

随着工业互联网和云计算等新一代信息技术的发展，传统制造业也在向着数字化和智能化的方向发展。供收料模块是目前高校常用于PLC教学的设备，但是，针对供收料模块，目前来说，不管是高校教学时还是工厂生产时，PLC程序设计都是软硬件分开进行，即先进行PLC程序编写，而PLC程序调试工作都是对真实样机直接进行的，这种做法在PLC程序有误的情况下，极容易造成真实样机的损坏。对于工厂生产而言，无法适应工业互联网时代的发展。对于高校教学而言，在供收料模块实验设备较少的情况下，除了容易造成真实样机的损坏，还存在难以在有限的课堂时间内满足大量学生的PLC程序调试实验需求的问题，特别是出现PLC程序编写错误的学生，根本没有机会再去二次调试实验，这将导致学生不能深入了解PLC程序是如何控制供收料模块的电机驱动顶托块抬升与下落料盘的一维传动的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种虚实融合的供收料模块实验教学方法。

本发明一种虚实融合的供收料模块实验教学方法，具体如下：

步骤一、将参加实验教学的学生分为A、B两组。

步骤二、A组学生利用真实机械结构和电气元件搭建真实供收料模块，并将真实供收料模块中控制器的以太网端口与PC端的网口网线连接。B组学生在NX MCD环境中构建供收料模块的虚拟机械和虚拟电气模型，创建控制供收料模块运行所需的输入、输出信号，进行基于时间顺序的运动仿真，根据运动仿真结果在PC端编写PLC程序。

步骤三、B组学生将PLC程序通过数据传输网关系统转换成标准OPC UA格式，并将PLC程序中所需的I/O创建成OPC UA节点，在NX MCD环境中将虚拟电气模型信号与创建的OPC UA节点信号进行一一映射；然后在NX MCD环境中启动运动仿真，验证PLC程序在NX MCD环境中是否能顺利运行虚拟机械。

步骤四、若PLC程序在NX MCD环境中不能顺利运行虚拟机械，则B组学生在PC端修改PLC程序，回到步骤三，否则将PLC程序下载至真实供收料模块的控制器中，验证真实供收料模块是否能顺利运行。若真实供收料模块不能顺利运行，则B组学生在PC端修改PLC程序，回到步骤三，否则认为PLC程序编写成功，执行下一步。

步骤五、拆卸搭建好的真实供收料模块，重新准备未构建供收料模块的虚拟机械和虚拟电气模型的PC端，然后将A、B两组学生互换，重复步骤二至步骤四，直至PLC程序编写成功，结束实验教学。

优选地，所述的真实机械结构包括型材支架、同步带传动机构、限位气缸、限位块和一维料板运动平台；所述的一维料板运动平台包括引导槽、顶托板、执行电机和丝杆升降台；阵列排布的四个引导槽通过螺栓与型材支架固定；两块顶托块置于同步带传动机构两侧，顶托块与丝杆升降台的升降块通过螺栓连接；所述的执行电机与型材支架通过螺栓连接，执行电机的输出轴丝杆升降台的丝杆通过联轴器连接；靠近每个引导槽处设有一个限位气缸，限位气缸与型材支架通过螺栓连接，限位气缸的活塞杆处固定有限位块；所述的引导槽和限位块均置于同步带传动机构上方；所述的电气元件包括控制器；限位气缸经换向阀与气泵连接，换向阀和执行电机均与控制器连接。

更优选地，其中一端的两个引导槽内通过螺栓连接有防呆板。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于OPC UA协议实现PLC程序和虚拟电气模型之间的双向数据交互，可以使用真实PLC程序控制虚拟电气模型，从而实现虚拟机械仿真，验证可行性，以达到对PLC程序调试的目的。在NX MCD软件中模拟成功的PLC程序可以直接植入真实供收料模块的控制器中实现对电机的控制，相对于传统PLC的调试工作，极大地节约了时间。可见，本发明针对供收料模块的控制调试，提出了一种全新的虚实融合调试与验证方法。

2、本发明将参加实验教学的学生分两组，一组利用真实机械结构和电气元件搭建供收料模块，另一组在NX MCD环境中构建供收料模块的虚拟机械和虚拟电气模型，并在PC端编写PLC程序，让学生分组交替进行虚、实实验，且虚、实实验结果能直接、高效地完成互联传输、互相验证，在供收料模块实验设备较少但PC端设备充足(学生可自备笔记本电脑)的情况下满足了大量学生的实验需求，让两组学生都能深入了解供收料模块的机械结构组成，针对电机和气缸的运动控制进行编程，明白PLC程序控制电机驱动顶托块抬升与下落料盘的一维传动原理。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的系统逻辑图；

图3为本发明中真实机械结构的立体图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种虚实融合的供收料模块实验教学方法，将参加实验教学的学生分两组，一组利用真实机械结构和电气元件搭建供收料模块，另一组在NX MCD环境中构建供收料模块的虚拟机械和虚拟电气模型，并在PC端编写PLC程序，将编写的PLC程序转换成OPCUA格式并创建OPC UA节点后传入NX MCD软件中，在NX MCD环境中将虚拟电气模型信号与创建的OPC UA节点信号一一映射，从而实现虚拟机械仿真，验证可行性，在NX MCD软件中模拟成功的PLC程序可以直接植入真实供收料模块的控制器中实现对电机的控制，相对于传统PLC的调试工作，极大地节约了时间，并且有利于开展多组人员教学活动。该虚实融合的供收料模块教学方法，具体如下：

步骤一、将参加实验教学的学生分为A、B两组。

步骤二、A组学生利用真实机械结构和电气元件搭建真实供收料模块，并将真实供收料模块中控制器(PLC)的以太网端口与PC端的网口网线连接。B组学生在NX MCD环境中构建供收料模块的虚拟机械和虚拟电气模型(虚拟机械和虚拟电气模型组成如图2所示的模拟运动平台)，创建控制供收料模块的虚拟机械自动化运行所需的输入、输出信号，进行基于时间顺序的运动仿真，根据运动仿真结果在PC端编写PLC程序。

步骤三、B组学生将PLC程序通过数据传输网关系统转换成标准OPC UA格式，并将PLC程序中所需的I/O创建成OPC UA节点，在NX MCD环境中将虚拟电气模型信号与创建的OPC UA节点信号进行一一映射，从而实现PLC程序对虚拟电气模型的控制；然后在NX MCD环境中启动运动仿真，实现虚实融合调试，验证PLC程序在NX MCD环境中是否能顺利运行虚拟机械。

步骤四、若PLC程序在NX MCD环境中不能顺利运行虚拟机械，则B组学生在PC端修改PLC程序，回到步骤三，否则将PLC程序下载至真实供收料模块的控制器(PLC)中，验证真实供收料模块是否能顺利运行。若真实供收料模块不能顺利运行，则B组学生在PC端修改PLC程序，回到步骤三，否则认为PLC程序编写成功，执行下一步。

步骤五、拆卸搭建好的真实供收料模块，重新准备未构建供收料模块的虚拟机械和虚拟电气模型的PC端，然后将A、B两组学生互换(A组学生换到B组，B组学生换到A组)，重复步骤二至步骤四，直至PLC程序编写成功，结束实验教学。

如图2所示，真实供收料模块包括真实机械结构和电气元件；如图3所示，真实机械结构包括型材支架、同步带传动机构、限位气缸3.2、限位块3.6和一维料板运动平台；一维料板运动平台包括引导槽3.1、顶托板3.3、执行电机3.4、防呆板3.5、丝杆升降台3.7和联轴器3.8；阵列排布的四个引导槽3.1通过螺栓与型材支架固定，实现对料盘的限位，防止倾倒；其中一端的两个引导槽3.1内通过螺栓连接有防呆板3.5，防呆板3.5防止料盘放错方向；两块顶托块3.3置于同步带传动机构两侧，顶托块3.3与丝杆升降台3.7的升降块通过螺栓连接，用于料盘抬升与下落；执行电机3.4与型材支架通过螺栓连接，执行电机3.4的输出轴丝杆升降台3.7的丝杆通过联轴器3.8连接；靠近每个引导槽3.1处设有一个限位气缸3.2，限位气缸3.2与型材支架通过螺栓连接，限位气缸3.2的活塞杆处固定有限位块3.6；引导槽3.1和限位块3.6均置于同步带传动机构上方；电气元件包括控制器；限位气缸3.2经换向阀与气泵连接，换向阀和执行电机3.4均与控制器连接。

真实供收料模块供料时的工作原理(当然其也能进行收料，收料工作流程参考供料工作流程即可推断得到，不再累述)如下：

1、将堆叠的料盘沿着引导槽3.1放置于各限位块3.6上；控制器通过执行PCL程序控制执行电机3.4正转，驱动丝杆升降台3.7的丝杆旋转，将顶托块3.3上升至“上位”；“上位”高于限位块3.6，此时顶托块3.3将堆叠的料盘抬升；然后，控制器通过执行PCL程序控制各限位气缸3.2的活塞杆将限位块3.6收回，避免阻碍料盘下落。

2、控制器通过执行PCL程序控制执行电机3.4反转，驱动丝杆升降台3.7的丝杆旋转，将顶托块3.3下降至“中位”；“中位”低于限位块3.6，但由下往上的第二块料盘高于限位块。然后，控制器通过执行PCL程序控制各限位气缸3.2的活塞杆将限位块3.6推出，位于最下方两块料盘之间。

3、控制器通过执行PCL程序控制执行电机3.4继续反转，驱动丝杆升降台3.7的丝杆旋转，将顶托块3.3下降至“下位”，此时顶托块3.3低于同步带传动机构，最下方的料盘下落至同步带传动机构的同步带上，由带传动机构输送出去，其余料盘由各限位块3.6支撑。

若真实供收料模块的以上步骤均能顺利运行，则说明PLC程序编写成功，若任何一步出现问题，则说明PLC程序编写失败，需要重新编写PLC程序。

本发明针对真实供收料模块，还能进行执行电机3.4的启动、反转、停止控制实验，以及料盘变速运动实验。

本发明先通过虚拟机械和虚拟电气模型对PLC程序进行调试，随后在真实供收料模块中验证PLC程序，让学生分组交替进行虚、实实验，且虚、实实验结果能直接、高效地完成互联传输、互相验证，在实验设备较少的情况下满足了大量学生的实验需求。