高職機(jī)電仿真教學(xué)研究
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本文作者：朱濤、吉智 單位：徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
近年來，隨著高職教育的快速發(fā)展，實驗實訓(xùn)裝備的技術(shù)水平不斷提高，各生產(chǎn)廠家也積極響應(yīng)教學(xué)改革的呼聲，開發(fā)出適合教改的實驗實訓(xùn)裝置，為教改的深入開展提供了必要的條件。以機(jī)電控制類的實訓(xùn)實驗裝置為例，大致可以分為兩類：一類是模擬式的裝置，用開關(guān)或可調(diào)信號源代替輸入信號，用發(fā)光二極管或測量儀表顯示輸出信號，與實際工業(yè)設(shè)備不同，結(jié)構(gòu)較簡單，價格便宜，多數(shù)用來訓(xùn)練學(xué)生基本的可編程控制器軟件開發(fā)和外圍接線的技能，而一些機(jī)電設(shè)備工作時的特殊狀態(tài)難以表達(dá)和實現(xiàn)，如運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)等。另一類是將企業(yè)真實的裝置縮小化，功能基本不變，直接搬進(jìn)教學(xué)課堂，這類產(chǎn)品功能齊全，系統(tǒng)復(fù)雜，盡管來源于企業(yè)真實的生產(chǎn)環(huán)境，但價格昂貴，許多學(xué)校無力承擔(dān)，而過于復(fù)雜的系統(tǒng)，在課程教學(xué)中不夠靈活方便。在文獻(xiàn)中介紹了仿真技術(shù)和軟PLC技術(shù)利用軟件模擬實現(xiàn)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(xí)之用，同樣有些運(yùn)行狀態(tài)不能直觀的表達(dá)出來。本文研究一種基于情境仿真的實訓(xùn)教學(xué)平臺，充分體現(xiàn)“過程導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動、學(xué)生主體、能力本位”的教學(xué)理念，具有直觀動態(tài)、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、安全環(huán)保、資源共享、訓(xùn)練充分、容錯性好、拓展性強(qiáng)等特點，在機(jī)電一體化綜合實訓(xùn)教學(xué)過程中，有效控制了教學(xué)成本，推進(jìn)了理論實踐一體化教學(xué)改革，取得了較好的教學(xué)效果。
一、實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺搭建
在教學(xué)過程中，要在上位機(jī)模擬顯示被控對象的運(yùn)行，并對按鈕開關(guān)、傳感器等對應(yīng)的PLC端口進(jìn)行賦值，必須借助PLC與上位機(jī)之間的通訊功能，可以利用VC++、VB等高級語言編程來實現(xiàn)，要求用戶必須熟悉PLC網(wǎng)絡(luò)采用的通信協(xié)議，具有較高的程序編寫能力，能嚴(yán)格按照所采用的通信協(xié)議編寫通信程序。而MCGS組態(tài)軟件提供了不同PLC品牌和型號的通訊驅(qū)動程序，使得利用MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通訊，變得相對簡單，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，通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)PLC與上位機(jī)之間的通訊。最簡單的仿真實訓(xùn)平臺硬件包括一臺計算機(jī)、一臺PLC、一根編程通訊電纜，軟件包括MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用監(jiān)控系統(tǒng)）組態(tài)軟件和GXDeveloper編程軟件。MCGS通過對PLC數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理等多種方式表現(xiàn)PLC所控制對象的狀態(tài)，同時可以通過對PLC數(shù)據(jù)的寫操作，模擬實現(xiàn)輸入PLC的檢測裝置信號，達(dá)到完全仿真真實工業(yè)系統(tǒng)的目的，創(chuàng)設(shè)逼真的工作情境，更好地體現(xiàn)職業(yè)性、實用性和可操作性。GXDeveloper則是用來編寫、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訓(xùn)教學(xué)平臺，MCGS組態(tài)軟件通過上位機(jī)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(dá)到操作PLC設(shè)備的目的。這樣可以通過MCGS操作PLC的內(nèi)部寄存器以模擬傳感器的輸入和執(zhí)行器的輸出，并以動畫的形式表現(xiàn)被控對象的運(yùn)行狀態(tài)，從而便捷地實現(xiàn)課程的理論實踐一體化教學(xué)，PLC程序的調(diào)試不需要再借助于大型、復(fù)雜的對象模型，讓學(xué)生能夠更好地體驗自己的勞動成果。在MCGS組態(tài)軟件的設(shè)備窗口中調(diào)用通用串口父設(shè)備構(gòu)建和三菱FX系列PLC編程口設(shè)備構(gòu)件來建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，F(xiàn)X系列PLC支持無協(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(jī)能正確操作PLC設(shè)備，必須正確使用和設(shè)置三菱FX系列PLC編程口設(shè)備構(gòu)件的內(nèi)部屬性，也即設(shè)置PLC的設(shè)備通道及其讀寫類型，以便進(jìn)行設(shè)備通道連接，把PLC設(shè)備中的數(shù)據(jù)送入MCGS組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫中的指定數(shù)據(jù)對象，同時把數(shù)據(jù)對象的值送入指定的PLC設(shè)備通道。三菱FX系列PLC編程口設(shè)備構(gòu)件把PLC的通道分為只讀，只寫，讀寫三種情況，由于設(shè)備構(gòu)件中X輸入繼電器只能進(jìn)行只讀操作，無法對按鈕開關(guān)、傳感器等對應(yīng)的PLC端口進(jìn)行賦值操作，因此在PLC程序中通過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(shè)備構(gòu)件的內(nèi)部屬性中增加相應(yīng)的通道并設(shè)置成只寫的操作方式，這樣就可以通過MCGS中的按鈕間接的模擬按鈕開關(guān)、傳感器等輸入；通過MCGS中的滑動輸入器或輸入框把指定的值送入PLC的D寄存器，實現(xiàn)對數(shù)值型傳感器輸入的模擬；同樣將Y輸出繼電器設(shè)置成只讀的操作方式，在MCGS中通過指示燈的形式顯示出來，并根據(jù)Y輸出繼電器的狀態(tài)編輯相應(yīng)的動畫仿真真實的設(shè)備工作狀態(tài)。
三、教學(xué)案例設(shè)計
四層教學(xué)電梯系統(tǒng)在各類院校的機(jī)電一體化綜合實訓(xùn)教學(xué)中得到了廣泛的利用。其基本控制要求如下：電梯啟動后，轎廂在一樓。若第一層有呼梯信號，則開門；運(yùn)行過程中可記憶并響應(yīng)其他信號，內(nèi)選優(yōu)先，當(dāng)呼梯信號大于當(dāng)前樓層時上升，呼樓信號小于當(dāng)前樓層時下降；如果是內(nèi)選呼叫，到達(dá)呼叫樓層時，平層后門開，消除記憶；如果是外選呼叫，且運(yùn)行方向的下游有呼叫等待時，運(yùn)行方向與外選呼叫方向一致時才開門，否則記憶并保持原運(yùn)動方向，到達(dá)呼叫樓層后再反向運(yùn)行，響應(yīng)呼梯；開門期間，也可進(jìn)行多層呼樓選擇；若無呼樓信號，則轎廂停在當(dāng)前樓層；電梯不用時，回到第一層，開門后斷電，再使用時重新啟動。借助MCGS與PLC搭建的仿真系統(tǒng)可以在不需要連接電梯模型的情況完成程序調(diào)試，程序調(diào)試工作完成后僅需處理任務(wù)中硬件相關(guān)的問題。如圖1所示，在MCGS中，用數(shù)據(jù)對象的名稱來直接操作數(shù)據(jù)對象，例如，在MCGS中四層平層開關(guān)對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象直接可以定義為M204，并在三菱FX系列PLC編程口設(shè)備構(gòu)件中與PLC中的M204中間繼電器關(guān)聯(lián)，設(shè)置成只寫的形式，這樣就可以用MCGS對PLC中的M204進(jìn)行寫操作，當(dāng)賦值為1時，認(rèn)為四層平層開關(guān)接通；同理，在MCGS中四層內(nèi)呼指示對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象直接可以定義為Y11，并在三菱FX系列PLC編程口設(shè)備構(gòu)件中與PLC中的Y11輸出繼電器關(guān)聯(lián)，設(shè)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，并通過指示燈顯示出來。由圖形對象搭建的電梯運(yùn)動狀態(tài)模擬界面是靜止的，要使它們“動”起來，真實地表現(xiàn)電梯上升下降、開門關(guān)門、樓層指示的狀態(tài)變化，達(dá)到運(yùn)行過程實時仿真的目的，必須將MCGS用戶窗口中的圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關(guān)性連接，并設(shè)置相應(yīng)圖像對象的動畫屬性，在MCGS的運(yùn)行策略組態(tài)中編寫控制電梯運(yùn)動狀態(tài)模擬的程序。這樣PLC控制電梯運(yùn)行的過程，就會由數(shù)據(jù)對象對PLC輸出信號的實時采集和對PLC相關(guān)輸入信號的寫入結(jié)果進(jìn)行驅(qū)動，從而實現(xiàn)動態(tài)仿真，創(chuàng)設(shè)“真實的”情境。如圖1所示的狀態(tài)是：電梯停在二層，門打開，電梯內(nèi)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，可操作性強(qiáng)，學(xué)生借助此仿真系統(tǒng)調(diào)試程序，大大提高了學(xué)習(xí)的效率。四層以上電梯控制程序的調(diào)試只需該系統(tǒng)平臺在軟件上做一些改動就可實現(xiàn)，相比以前電梯模型要在硬件上做很大改動，大大節(jié)省了成本，體現(xiàn)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，同時也為老師評價和學(xué)生互評提供了更好的平臺。
基于本實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺的實訓(xùn)項目還有機(jī)械手控制、交通燈控制等十幾種項目，由于實際硬件的教學(xué)模型設(shè)備投入較大，對教學(xué)空間也比較苛刻，從而給各個院校的實踐教學(xué)帶來很大的困擾。本實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺利用MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)PLC與上位機(jī)通信的方法簡單易行，在上位機(jī)界面上達(dá)到了PLC程序調(diào)試運(yùn)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)生的實踐訓(xùn)練，符合大多數(shù)高等院校及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的教學(xué)要求。該實訓(xùn)仿真教學(xué)平臺除鍛煉學(xué)生的PLC程序編寫能力外，還可鍛煉學(xué)生的組態(tài)軟件應(yīng)用能力，該系統(tǒng)為我校開發(fā)的機(jī)電一體化綜合實驗實訓(xùn)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，在機(jī)電一體化綜合實訓(xùn)課程教學(xué)中，對學(xué)生的機(jī)電一體化綜合技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，具有突出的優(yōu)點和很好的利用價值。
