成功案例
加速工程及科技創(chuàng)新，讓智能裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)更簡(jiǎn)單高效
智能制造之MBSE丨半實(shí)物仿真加速礦山機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)開發(fā)
一、應(yīng)用背景
智能化、自動(dòng)化是礦山機(jī)械設(shè)備的主要發(fā)展趨勢(shì)之一，基于先進(jìn)的傳感器、控制算法和自適應(yīng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能感知、智能控制和自主決策。可以有效提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高設(shè)備及礦產(chǎn)資源利用率和推動(dòng)礦業(yè)現(xiàn)代化。
多變的工況、復(fù)雜的機(jī)構(gòu)、高安全性要求以及多樣化的操作模式意味著礦山機(jī)械裝備控制系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、自主性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)以及人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，半實(shí)物仿真技術(shù)作為一種基于實(shí)際硬件系統(tǒng)和虛擬仿真環(huán)境相結(jié)合的仿真方法，可有效地模擬出礦山機(jī)械裝備的工作環(huán)境和控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。借助半實(shí)物仿真來設(shè)計(jì)礦山機(jī)械裝備的控制系統(tǒng)可大大降低實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率和可靠性。
二、需求分析
為滿足某煤機(jī)裝備企業(yè)對(duì)掘進(jìn)機(jī)或掘錨機(jī)等礦山機(jī)械裝備的智能化功能閉環(huán)測(cè)試需求，擬搭建一套半實(shí)物仿真系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)創(chuàng)造一個(gè)模擬對(duì)象環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)仿真聯(lián)調(diào)，能夠驗(yàn)證模型，調(diào)試控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、邏輯、控制算法以及接口，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割和自主行走等功能的驗(yàn)證。
主要功能需求如下：
1.數(shù)字建模：建立裝備靜態(tài)模型和傳感器動(dòng)態(tài)模型
2.模型實(shí)時(shí)化改造：對(duì)用戶掘進(jìn)機(jī)或掘錨機(jī)這類復(fù)雜的機(jī)電對(duì)象系統(tǒng)模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，使其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工況的實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行。
3.硬件平臺(tái)搭建：掘進(jìn)機(jī)或掘錨機(jī)屬于復(fù)雜機(jī)電對(duì)象系統(tǒng)，模型包括了機(jī)械、液壓、動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科，因此平臺(tái)需要強(qiáng)大的運(yùn)算能力以及豐富的IO資源來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的分布式實(shí)時(shí)計(jì)算和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及輸出。
三、解決方案
本系統(tǒng)基于靈思創(chuàng)奇通用型仿真測(cè)試一體化平臺(tái)（Links-Xil）來搭建，整體結(jié)構(gòu)見圖1，裝置采用“上-下”位機(jī)架構(gòu)，上位機(jī)是1臺(tái)Windows主控計(jì)算機(jī)，是用戶進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)等智能裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模型搭建和試驗(yàn)運(yùn)行管理的環(huán)境；下位機(jī)是2臺(tái)實(shí)時(shí)仿真器，1臺(tái)運(yùn)行復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)模型，1臺(tái)部署大量I/O資源，完成與控制系統(tǒng)的信號(hào)連通。
3.1軟件部分：
1）上位機(jī)軟件：基于Windows操作系統(tǒng)，提供系統(tǒng)建模、仿真運(yùn)行管理等功能。
a)建模軟件：基于MATLAB Simulink創(chuàng)建自定義掘進(jìn)機(jī)、掘錨機(jī)等復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)模型，自動(dòng)編譯后可下載到模型仿真機(jī)中運(yùn)行；
b)主控軟件RT-Sim Plus：對(duì)整個(gè)仿真平臺(tái)的工作流程進(jìn)行管理，包括模型與I/O的映射配置、仿真啟停管理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、虛擬儀表監(jiān)控等；
c)HIL模型：支持用戶基于MATLAB Simulink開發(fā)的HIL模型下載到實(shí)時(shí)仿真機(jī)中運(yùn)行。
2）下位機(jī)軟件：基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的HIL系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)計(jì)算。
a)實(shí)時(shí)代碼，包括兩部分：
i.模型實(shí)時(shí)代碼：由用戶基于MATLAB Simulink開發(fā)，并且已自動(dòng)轉(zhuǎn)換為VxWorks系統(tǒng)上可直接運(yùn)行的二進(jìn)制代碼文件；
ii.I/O映射任務(wù)：由RT-Sim Plus軟件完成模型與I/O配置，并將配置文件下發(fā)至I/O仿真機(jī)。
b)分布式仿真組件RT-MP：支持多節(jié)點(diǎn)分布式仿真，支持模型間實(shí)時(shí)通訊，自動(dòng)編譯為多處理器目標(biāo)代碼，支持多模型加載與同步仿真控制。
c)實(shí)時(shí)仿真支持組件RT-Engine：運(yùn)行于VxWorks操作系統(tǒng)之上的仿真引擎。實(shí)時(shí)仿真支持組件啟動(dòng)一組任務(wù)，包括命令通訊任務(wù)、FTP任務(wù)、數(shù)據(jù)通訊任務(wù)、存儲(chǔ)任務(wù)、模型調(diào)度任務(wù)等，為模型目標(biāo)代碼的加載、運(yùn)行、監(jiān)控提供基礎(chǔ)環(huán)境。
3.2硬件部分：
1)開發(fā)主機(jī)：Windows計(jì)算機(jī)，提供系統(tǒng)建模、運(yùn)行管理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等的平臺(tái)環(huán)境。
2)模型實(shí)時(shí)仿真機(jī)：高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，依靠多核分布式并行運(yùn)算能力，完成復(fù)雜的機(jī)電對(duì)象系統(tǒng)模型實(shí)時(shí)計(jì)算；
3)I/O仿真機(jī)：集成式嵌入式計(jì)算機(jī)，部署CPU控制器、I/O板卡，通過串口、CAN、PWM采集接口等完成與電控箱的數(shù)據(jù)通信。
4)信號(hào)故障注入與轉(zhuǎn)接適配設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)半實(shí)物仿真裝置的所有IO通道都具有FIU故障注入功能；可以對(duì)控制器輸入、輸出管腳進(jìn)行電氣故障仿真，包括傳感器故障注入和執(zhí)行器故障注入。
四、項(xiàng)目總結(jié)
半實(shí)物仿真系統(tǒng)的成功搭建，既能協(xié)助用戶對(duì)掘進(jìn)機(jī)或掘錨機(jī)等礦山機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性，發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，提高控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。還可以模擬實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估，例如響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、控制精度等指標(biāo)，從而優(yōu)化控制系統(tǒng)的性能，對(duì)于礦山機(jī)械設(shè)備的智能化自動(dòng)化發(fā)展具有重要意義。