基于情境仿真的高職機電實訓教學研究與實踐

摘要：本文研究一種基于情境仿真的實訓教學平臺，利用一個教學案例說明該平臺在機電一體化綜合實訓課程中的應用。在教學中利用該實訓仿真教學平臺開發出多種實訓項目，推行理論實踐一體化教學，在盡量節省實訓成本的基礎上，讓學生都能有機會深入參與實訓項目，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：機電一體化；仿真教學；可編程控制器；MCGS；理論實踐一體化

中圖分類號：G712文獻標志碼：A文章編號：1674-9324（2012）11-0097-03

近年來，隨著高職教育的快速發展，實驗實訓裝備的技術水平不斷提高，各生產廠家也積極響應教學改革的呼聲，開發出適合教改的實驗實訓裝置，為教改的深入開展提供了必要的條件。以機電控制類的實訓實驗裝置為例，大致可以分為兩類：一類是模擬式的裝置，用開關或可調信號源代替輸入信號，用發光二極管或測量儀表顯示輸出信號，與實際工業設備不同，結構較簡單，價格便宜，多數用來訓練學生基本的可編程控制器軟件開發和外圍接線的技能，而一些機電設備工作時的特殊狀態難以表達和實現，如運動，旋轉等。另一類是將企業真實的裝置縮小化，功能基本不變，直接搬進教學課堂，這類產品功能齊全，系統復雜，盡管來源于企業真實的生產環境，但價格昂貴，許多學校無力承擔，而過于復雜的系統，在課程教學中不夠靈活方便。在文獻中介紹了仿真技術和軟PLC技術利用軟件模擬實現PLC硬件基本功能的方法，但是這些技術不適合初學者學習之用，同樣有些運行狀態不能直觀的表達出來。本文研究一種基于情境仿真的實訓教學平臺，充分體現“過程導向、任務驅動、學生主體、能力本位”的教學理念，具有直觀動態、經濟節約、安全環保、資源共享、訓練充分、容錯性好、拓展性強等特點，在機電一體化綜合實訓教學過程中，有效控制了教學成本，推進了理論實踐一體化教學改革，取得了較好的教學效果。

一、實訓仿真教學平臺搭建

在教學過程中，要在上位機模擬顯示被控對象的運行，并對按鈕開關、傳感器等對應的PLC端口進行賦值，必須借助PLC與上位機之間的通訊功能，可以利用VC++、VB等高級語言編程來實現，要求用戶必須熟悉PLC網絡采用的通信協議，具有較高的程序編寫能力，能嚴格按照所采用的通信協議編寫通信程序。而MCGS組態軟件提供了不同PLC品牌和型號的通訊驅動程序，使得利用MCGS組態軟件實現PLC與上位機的通訊，變得相對簡單，如三菱公司的FX系列PLC與MCGS組態軟件之間就可以進行連接，通過驅動程序實現PLC與上位機之間的通訊。最簡單的仿真實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（Monitor and Control Generated System，通用監控系統）組態軟件和GX Developer編程軟件。MCGS通過對PLC數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理等多種方式表現PLC所控制對象的狀態，同時可以通過對PLC數據的寫操作，模擬實現輸入PLC的檢測裝置信號，達到完全仿真真實工業系統的目的，創設逼真的工作情境，更好地體現職業性、實用性和可操作性。GX Developer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教學平臺，MCGS組態軟件通過上位機中的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，并以動畫的形式表現被控對象的運行狀態，從而便捷地實現課程的理論實踐一體化教學，PLC程序的調試不需要再借助于大型、復雜的對象模型，讓學生能夠更好地體驗自己的勞動成果。在MCGS組態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編程口設備構件來建立系統與外部硬件設備的連接關系，FX系列PLC支持無協議的RS232和RS485通信協議兩種通信方式。要使裝有MCGS組態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類型，以便進行設備通道連接，把PLC設備中的數據送入MCGS組態軟件實時數據庫中的指定數據對象，同時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，讀寫三種情況，由于設備構件中X輸入繼電器只能進行只讀操作，無法對按鈕開關、傳感器等對應的PLC端口進行賦值操作，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編程口設備構件的內部屬性中增加相應的通道并設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、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中通過指示燈的形式顯示出來，并根據Y輸出繼電器的狀態編輯相應的動畫仿真真實的設備工作狀態。

三、教學案例設計

四層教學電梯系統在各類院校的機電一體化綜合實訓教學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；運行過程中可記憶并響應其他信號，內選優先，當呼梯信號大于當前樓層時上升，呼樓信號小于當前樓層時下降；如果是內選呼叫，到達呼叫樓層時，平層后門開，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，運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動方向，到達呼叫樓層后再反向運行，響應呼梯；開門期間，也可進行多層呼樓選擇；若無呼樓信號，則轎廂停在當前樓層；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中硬件相關的問題。如圖1所示，在MCGS中，用數據對象的名稱來直接操作數據對象，例如，在MCGS中四層平層開關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中間繼電器關聯，設置成只寫的形式，這樣就可以用MCGS對PLC中的M204進行寫操作，當賦值為1時，認為四層平層開關接通；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輸出繼電器關聯，設置成只讀的形式，這樣就可以用MCGS對PLC中的Y11進行讀操作，并通過指示燈顯示出來。由圖形對象搭建的電梯運動狀態模擬界面是靜止的，要使它們“動”起來，真實地表現電梯上升下降、開門關門、樓層指示的狀態變化，達到運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據庫中的數據對象建立相關性連接，并設置相應圖像對象的動畫屬性，在MCGS的運行策略組態中編寫控制電梯運動狀態模擬的程序。這樣PLC控制電梯運行的過程，就會由數據對象對PLC輸出信號的實時采集和對PLC相關輸入信號的寫入結果進行驅動，從而實現動態仿真，創設“真實的”情境。如圖1所示的狀態是：電梯停在二層，門打開，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，可操作性強，學生借助此仿真系統調試程序，大大提高了學習的效率。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就可實現，相比以前電梯模型要在硬件上做很大改動，大大節省了成本，體現出明顯的優越性，為學生能力的進一步拓展提供了平臺，同時也為老師評價和學生互評提供了更好的平臺。

基于本實訓仿真教學平臺的實訓項目還有機械手控制、交通燈控制等十幾種項目，由于實際硬件的教學模型設備投入較大，對教學空間也比較苛刻，從而給各個院校的實踐教學帶來很大的困擾。本實訓仿真教學平臺利用MCGS組態軟件實現PLC與上位機通信的方法簡單易行，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，對教學空間要求也不高，適合大批量學生的實踐訓練，符合大多數高等院校及培訓機構的教學要求。該實訓仿真教學平臺除鍛煉學生的PLC程序編寫能力外，還可鍛煉學生的組態軟件應用能力，該系統為我校開發的機電一體化綜合實驗實訓系統的子系統，在機電一體化綜合實訓課程教學中，對學生的機電一體化綜合技術應用能力的培養，具有突出的優點和很好的利用價值。

參考文獻：

[1]陳鳳蘭.軟PLC技術的發展趨勢與應用前景[J].電力學報，2006，21（2）：132-134.

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作者簡介：朱濤（1981-），男，江蘇徐州人，碩士，講師，工程師，從事自動化教學與研究工作。