成功案例
加速工程及科技創新，讓智能裝備的設計研發更簡單高效
智能制造之MBSE丨半實物仿真加速礦山機械設備控制系統開發
一、應用背景
智能化、自動化是礦山機械設備的主要發展趨勢之一，基于先進的傳感器、控制算法和自適應控制技術，實現設備的智能感知、智能控制和自主決策。可以有效提高生產效率、降低生產成本、提高設備及礦產資源利用率和推動礦業現代化。
多變的工況、復雜的機構、高安全性要求以及多樣化的操作模式意味著礦山機械裝備控制系統需要具備實時性強、穩定性高、自主性強、數據處理和存儲以及人機界面友好等特點，半實物仿真技術作為一種基于實際硬件系統和虛擬仿真環境相結合的仿真方法，可有效地模擬出礦山機械裝備的工作環境和控制系統的運行情況。借助半實物仿真來設計礦山機械裝備的控制系統可大大降低實驗成本和風險，提高系統設計效率和可靠性。
二、需求分析
為滿足某煤機裝備企業對掘進機或掘錨機等礦山機械裝備的智能化功能閉環測試需求，擬搭建一套半實物仿真系統，為控制系統創造一個模擬對象環境，從而實現仿真聯調，能夠驗證模型，調試控制系統結構、邏輯、控制算法以及接口，以實現自動截割和自主行走等功能的驗證。
主要功能需求如下：
1.數字建模：建立裝備靜態模型和傳感器動態模型
2.模型實時化改造：對用戶掘進機或掘錨機這類復雜的機電對象系統模型，進行實時化改造，使其實現目標工況的實時仿真運行。
3.硬件平臺搭建：掘進機或掘錨機屬于復雜機電對象系統，模型包括了機械、液壓、動力學等多學科，因此平臺需要強大的運算能力以及豐富的IO資源來實現復雜模型的分布式實時計算和數據的實時采集及輸出。
三、解決方案
本系統基于靈思創奇通用型仿真測試一體化平臺（Links-Xil）來搭建，整體結構見圖1，裝置采用“上-下”位機架構，上位機是1臺Windows主控計算機，是用戶進行掘進機等智能裝備系統設計、模型搭建和試驗運行管理的環境；下位機是2臺實時仿真器，1臺運行復雜機電系統模型，1臺部署大量I/O資源，完成與控制系統的信號連通。
3.1軟件部分：
1）上位機軟件：基于Windows操作系統，提供系統建模、仿真運行管理等功能。
a)建模軟件：基于MATLAB Simulink創建自定義掘進機、掘錨機等復雜機電系統模型，自動編譯后可下載到模型仿真機中運行；
b)主控軟件RT-Sim Plus：對整個仿真平臺的工作流程進行管理，包括模型與I/O的映射配置、仿真啟停管理、試驗數據處理、虛擬儀表監控等；
c)HIL模型：支持用戶基于MATLAB Simulink開發的HIL模型下載到實時仿真機中運行。
2）下位機軟件：基于VxWorks實時操作系統，實現復雜機電系統的HIL系統模型的實時計算。
a)實時代碼，包括兩部分：
i.模型實時代碼：由用戶基于MATLAB Simulink開發，并且已自動轉換為VxWorks系統上可直接運行的二進制代碼文件；
ii.I/O映射任務：由RT-Sim Plus軟件完成模型與I/O配置，并將配置文件下發至I/O仿真機。
b)分布式仿真組件RT-MP：支持多節點分布式仿真，支持模型間實時通訊，自動編譯為多處理器目標代碼，支持多模型加載與同步仿真控制。
c)實時仿真支持組件RT-Engine：運行于VxWorks操作系統之上的仿真引擎。實時仿真支持組件啟動一組任務，包括命令通訊任務、FTP任務、數據通訊任務、存儲任務、模型調度任務等，為模型目標代碼的加載、運行、監控提供基礎環境。
3.2硬件部分：
1)開發主機：Windows計算機，提供系統建模、運行管理、試驗數據處理等的平臺環境。
2)模型實時仿真機：高性能實時操作系統計算機，依靠多核分布式并行運算能力，完成復雜的機電對象系統模型實時計算；
3)I/O仿真機：集成式嵌入式計算機，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據通信。
4)信號故障注入與轉接適配設備，實現對半實物仿真裝置的所有IO通道都具有FIU故障注入功能；可以對控制器輸入、輸出管腳進行電氣故障仿真，包括傳感器故障注入和執行器故障注入。
四、項目總結
半實物仿真系統的成功搭建，既能協助用戶對掘進機或掘錨機等礦山機械設備控制系統進行模擬測試，驗證設計方案的可行性和有效性，發現和解決潛在問題，提高控制系統的可靠性和穩定性。還可以模擬實際工作環境，對控制系統進行性能評估，例如響應時間、穩定性、控制精度等指標，從而優化控制系統的性能，對于礦山機械設備的智能化自動化發展具有重要意義。