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高職機電仿真教學(xué)研究論文
近年來(lái)，隨著(zhù)高職教育的快速發(fā)展，實(shí)驗實(shí)訓裝備的技術(shù)水平不斷提高，各生產(chǎn)廠(chǎng)家也積極響應教學(xué)改革的呼聲，開(kāi)發(fā)出適合教改的實(shí)驗實(shí)訓裝置，為教改的深入開(kāi)展提供了必要的條件。以機電控制類(lèi)的實(shí)訓實(shí)驗裝置為例，大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是模擬式的裝置，用開(kāi)關(guān)或可調信號源代替輸入信號，用發(fā)光二極管或測量?jì)x表顯示輸出信號，與實(shí)際工業(yè)設備不同，結構較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，多數用來(lái)訓練學(xué)生基本的可編程控制器軟件開(kāi)發(fā)和外圍接線(xiàn)的技能，而一些機電設備工作時(shí)的特殊狀態(tài)難以表達和實(shí)現，如運動(dòng)，旋轉等。另一類(lèi)是將企業(yè)真實(shí)的裝置縮小化，功能基本不變，直接搬進(jìn)教學(xué)課堂，這類(lèi)產(chǎn)品功能齊全，系統復雜，盡管來(lái)源于企業(yè)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，但價(jià)格昂貴，許多學(xué)校無(wú)力承擔，而過(guò)于復雜的系統，在課程教學(xué)中不夠靈活方便。在文獻中介紹了仿真技術(shù)和軟PLC技術(shù)利用軟件模擬實(shí)現PLC硬件基本功能的方法，但是這些技術(shù)不適合初學(xué)者學(xué)習之用，同樣有些運行狀態(tài)不能直觀(guān)的表達出來(lái)。本文研究一種基于情境仿真的實(shí)訓教學(xué)平臺，充分體現“過(guò)程導向、任務(wù)驅動(dòng)、學(xué)生主體、能力本位”的教學(xué)理念，具有直觀(guān)動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟節約、安全環(huán)保、資源共享、訓練充分、容錯性好、拓展性強等特點(diǎn)，在機電一體化綜合實(shí)訓教學(xué)過(guò)程中，有效控制了教學(xué)成本，推進(jìn)了理論實(shí)踐一體化教學(xué)改革，取得了較好的教學(xué)效果。
一、實(shí)訓仿真教學(xué)平臺搭建
在教學(xué)過(guò)程中，要在上位機模擬顯示被控對象的運行，并對按鈕開(kāi)關(guān)、傳感器等對應的PLC端口進(jìn)行賦值，必須借助PLC與上位機之間的通訊功能，可以利用VC++、VB等高級語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現，要求用戶(hù)必須熟悉PLC網(wǎng)絡(luò )采用的通信協(xié)議，具有較高的程序編寫(xiě)能力，能?chē)栏癜凑账捎玫耐ㄐ艆f(xié)議編寫(xiě)通信程序。而MCGS組態(tài)軟件提供了不同PLC品牌和型號的通訊驅動(dòng)程序，使得利用MCGS組態(tài)軟件實(shí)現PLC與上位機的通訊，變得相對簡(jiǎn)單，如三菱公司的FX系列PLC與MCGS組態(tài)軟件之間就可以進(jìn)行連接，通過(guò)驅動(dòng)程序實(shí)現PLC與上位機之間的通訊。最簡(jiǎn)單的仿真實(shí)訓平臺硬件包括一臺計算機、一臺PLC、一根編程通訊電纜，軟件包括MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用監控系統）組態(tài)軟件和GXDeveloper編程軟件。MCGS通過(guò)對PLC數據的采集處理，以動(dòng)畫(huà)顯示、報警處理等多種方式表現PLC所控制對象的狀態(tài)，同時(shí)可以通過(guò)對PLC數據的寫(xiě)操作，模擬實(shí)現輸入PLC的檢測裝置信號，達到完全仿真真實(shí)工業(yè)系統的目的，創(chuàng )設逼真的工作情境，更好地體現職業(yè)性、實(shí)用性和可操作性。GXDeveloper則是用來(lái)編寫(xiě)、修改PLC的程序，并下載到PLC中。
二、PLC與MCGS之間的通訊
本文基于三菱FX2n系列PLC搭建基于情境仿真的實(shí)訓教學(xué)平臺，MCGS組態(tài)軟件通過(guò)上位機中的USB接口或串口與PLC上的編程口建立串行通訊連接，從而達到操作PLC設備的目的。這樣可以通過(guò)MCGS操作PLC的內部寄存器以模擬傳感器的輸入和執行器的輸出，并以動(dòng)畫(huà)的形式表現被控對象的運行狀態(tài)，從而便捷地實(shí)現課程的理論實(shí)踐一體化教學(xué)，PLC程序的調試不需要再借助于大型、復雜的對象模型，讓學(xué)生能夠更好地體驗自己的勞動(dòng)成果。在MCGS組態(tài)軟件的設備窗口中調用通用串口父設備構建和三菱FX系列PLC編程口設備構件來(lái)建立系統與外部硬件設備的連接關(guān)系，FX系列PLC支持無(wú)協(xié)議的RS232和RS485通信協(xié)議兩種通信方式。要使裝有MCGS組態(tài)軟件的上位機能正確操作PLC設備，必須正確使用和設置三菱FX系列PLC編程口設備構件的內部屬性，也即設置PLC的設備通道及其讀寫(xiě)類(lèi)型，以便進(jìn)行設備通道連接，把PLC設備中的數據送入MCGS組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數據庫中的指定數據對象，同時(shí)把數據對象的值送入指定的PLC設備通道。三菱FX系列PLC編程口設備構件把PLC的通道分為只讀，只寫(xiě)，讀寫(xiě)三種情況，由于設備構件中X輸入繼電器只能進(jìn)行只讀操作，無(wú)法對按鈕開(kāi)關(guān)、傳感器等對應的PLC端口進(jìn)行賦值操作，因此在PLC程序中通過(guò)M中間繼電器替代X輸入繼電器，在三菱FX系列PLC編程口設備構件的內部屬性中增加相應的通道并設置成只寫(xiě)的操作方式，這樣就可以通過(guò)MCGS中的按鈕間接的模擬按鈕開(kāi)關(guān)、傳感器等輸入；通過(guò)MCGS中的滑動(dòng)輸入器或輸入框把指定的值送入PLC的D寄存器，實(shí)現對數值型傳感器輸入的模擬；同樣將Y輸出繼電器設置成只讀的操作方式，在MCGS中通過(guò)指示燈的形式顯示出來(lái)，并根據Y輸出繼電器的狀態(tài)編輯相應的動(dòng)畫(huà)仿真真實(shí)的設備工作狀態(tài)。
三、教學(xué)案例設計
四層教學(xué)電梯系統在各類(lèi)院校的機電一體化綜合實(shí)訓教學(xué)中得到了廣泛的利用。其基本控制要求如下：電梯啟動(dòng)后，轎廂在一樓。若第一層有呼梯信號，則開(kāi)門(mén)；運行過(guò)程中可記憶并響應其他信號，內選優(yōu)先，當呼梯信號大于當前樓層時(shí)上升，呼樓信號小于當前樓層時(shí)下降；如果是內選呼叫，到達呼叫樓層時(shí)，平層后門(mén)開(kāi)，消除記憶；如果是外選呼叫，且運行方向的下游有呼叫等待時(shí)，運行方向與外選呼叫方向一致時(shí)才開(kāi)門(mén)，否則記憶并保持原運動(dòng)方向，到達呼叫樓層后再反向運行，響應呼梯；開(kāi)門(mén)期間，也可進(jìn)行多層呼樓選擇；若無(wú)呼樓信號，則轎廂停在當前樓層；電梯不用時(shí)，回到第一層，開(kāi)門(mén)后斷電，再使用時(shí)重新啟動(dòng)。借助MCGS與PLC搭建的仿真系統可以在不需要連接電梯模型的情況完成程序調試，程序調試工作完成后僅需處理任務(wù)中硬件相關(guān)的問(wèn)題。如圖1所示，在MCGS中，用數據對象的名稱(chēng)來(lái)直接操作數據對象，例如，在MCGS中四層平層開(kāi)關(guān)對應的數據對象直接可以定義為M204，并在三菱FX系列PLC編程口設備構件中與PLC中的M204中間繼電器關(guān)聯(lián)，設置成只寫(xiě)的形式，這樣就可以用MCGS對PLC中的M204進(jìn)行寫(xiě)操作，當賦值為1時(shí)，認為四層平層開(kāi)關(guān)接通；同理，在MCGS中四層內呼指示對應的數據對象直接可以定義為Y11，并在三菱FX系列PLC編程口設備構件中與PLC中的Y11輸出繼電器關(guān)聯(lián)，設置成只讀的形式，這樣就可以用MCGS對PLC中的Y11進(jìn)行讀操作，并通過(guò)指示燈顯示出來(lái)。由圖形對象搭建的電梯運動(dòng)狀態(tài)模擬界面是靜止的，要使它們“動(dòng)”起來(lái)，真實(shí)地表現電梯上升下降、開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)、樓層指示的狀態(tài)變化，達到運行過(guò)程實(shí)時(shí)仿真的目的，必須將MCGS用戶(hù)窗口中的圖形對象與實(shí)時(shí)數據庫中的數據對象建立相關(guān)性連接，并設置相應圖像對象的動(dòng)畫(huà)屬性，在MCGS的運行策略組態(tài)中編寫(xiě)控制電梯運動(dòng)狀態(tài)模擬的程序。這樣PLC控制電梯運行的過(guò)程，就會(huì )由數據對象對PLC輸出信號的實(shí)時(shí)采集和對PLC相關(guān)輸入信號的寫(xiě)入結果進(jìn)行驅動(dòng)，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)仿真，創(chuàng )設“真實(shí)的”情境。如圖1所示的狀態(tài)是：電梯停在二層，門(mén)打開(kāi)，電梯內有四層呼叫，電梯外有三上呼叫、三下呼叫和一層外呼叫，可以看出仿真效果好，界面顯示直觀(guān)，可操作性強，學(xué)生借助此仿真系統調試程序，大大提高了學(xué)習的效率。四層以上電梯控制程序的調試只需該系統平臺在軟件上做一些改動(dòng)就可實(shí)現，相比以前電梯模型要在硬件上做很大改動(dòng)，大大節省了成本，體現出明顯的優(yōu)越性，為學(xué)生能力的進(jìn)一步拓展提供了平臺，同時(shí)也為老師評價(jià)和學(xué)生互評提供了更好的平臺。
基于本實(shí)訓仿真教學(xué)平臺的實(shí)訓項目還有機械手控制、交通燈控制等十幾種項目，由于實(shí)際硬件的教學(xué)模型設備投入較大，對教學(xué)空間也比較苛刻，從而給各個(gè)院校的實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)很大的困擾。本實(shí)訓仿真教學(xué)平臺利用MCGS組態(tài)軟件實(shí)現PLC與上位機通信的方法簡(jiǎn)單易行，在上位機界面上達到了PLC程序調試運行效果，資金投入較少，對教學(xué)空間要求也不高，適合大批量學(xué)生的實(shí)踐訓練，符合大多數高等院校及培訓機構的教學(xué)要求。該實(shí)訓仿真教學(xué)平臺除鍛煉學(xué)生的PLC程序編寫(xiě)能力外，還可鍛煉學(xué)生的組態(tài)軟件應用能力，該系統為我校開(kāi)發(fā)的機電一體化綜合實(shí)驗實(shí)訓系統的子系統，在機電一體化綜合實(shí)訓課程教學(xué)中，對學(xué)生的機電一體化綜合技術(shù)應用能力的培養，具有突出的優(yōu)點(diǎn)和很好的利用價(jià)值。
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