高职机电仿真教学研究

本文作者：朱涛、吉智 单位：徐州工业职业技术学院

近年来，随着高职教育的快速发展，实验实训装备的技术水平不断提高，各生产厂家也积极响应教学改革的呼声，开发出适合教改的实验实训装置，为教改的深入开展提供了必要的条件。以机电控制类的实训实验装置为例，大致可以分为两类：一类是模拟式的装置，用开关或可调信号源代替输入信号，用发光二极管或测量仪表显示输出信号，与实际工业设备不同，结构较简单，价格便宜，多数用来训练学生基本的可编程控制器软件开发和外围接线的技能，而一些机电设备工作时的特殊状态难以表达和实现，如运动，旋转等。另一类是将企业真实的装置缩小化，功能基本不变，直接搬进教学课堂，这类产品功能齐全，系统复杂，尽管来源于企业真实的生产环境，但价格昂贵，许多学校无力承担，而过于复杂的系统，在课程教学中不够灵活方便。在文献中介绍了仿真技术和软PLC技术利用软件模拟实现PLC硬件基本功能的方法，但是这些技术不适合初学者学习之用，同样有些运行状态不能直观的表达出来。本文研究一种基于情境仿真的实训教学平台，充分体现“过程导向、任务驱动、学生主体、能力本位”的教学理念，具有直观动态、经济节约、安全环保、资源共享、训练充分、容错性好、拓展性强等特点，在机电一体化综合实训教学过程中，有效控制了教学成本，推进了理论实践一体化教学改革，取得了较好的教学效果。

一、实训仿真教学平台搭建

在教学过程中，要在上位机模拟显示被控对象的运行，并对按钮开关、传感器等对应的PLC端口进行赋值，必须借助PLC与上位机之间的通讯功能，可以利用VC++、VB等高级语言编程来实现，要求用户必须熟悉PLC网络采用的通信协议，具有较高的程序编写能力，能严格按照所采用的通信协议编写通信程序。而MCGS组态软件提供了不同PLC品牌和型号的通讯驱动程序，使得利用MCGS组态软件实现PLC与上位机的通讯，变得相对简单，如三菱公司的FX系列PLC与MCGS组态软件之间就可以进行连接，通过驱动程序实现PLC与上位机之间的通讯。最简单的仿真实训平台硬件包括一台计算机、一台PLC、一根编程通讯电缆，软件包括MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）组态软件和GXDeveloper编程软件。MCGS通过对PLC数据的采集处理，以动画显示、报警处理等多种方式表现PLC所控制对象的状态，同时可以通过对PLC数据的写操作，模拟实现输入PLC的检测装置信号，达到完全仿真真实工业系统的目的，创设逼真的工作情境，更好地体现职业性、实用性和可操作性。GXDeveloper则是用来编写、修改PLC的程序，并下载到PLC中。

二、PLC与MCGS之间的通讯

本文基于三菱FX2n系列PLC搭建基于情境仿真的实训教学平台，MCGS组态软件通过上位机中的USB接口或串口与PLC上的编程口建立串行通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的。这样可以通过MCGS操作PLC的内部寄存器以模拟传感器的输入和执行器的输出，并以动画的形式表现被控对象的运行状态，从而便捷地实现课程的理论实践一体化教学，PLC程序的调试不需要再借助于大型、复杂的对象模型，让学生能够更好地体验自己的劳动成果。在MCGS组态软件的设备窗口中调用通用串口父设备构建和三菱FX系列PLC编程口设备构件来建立系统与外部硬件设备的连接关系，FX系列PLC支持无协议的RS232和RS485通信协议两种通信方式。要使装有MCGS组态软件的上位机能正确操作PLC设备，必须正确使用和设置三菱FX系列PLC编程口设备构件的内部属性，也即设置PLC的设备通道及其读写类型，以便进行设备通道连接，把PLC设备中的数据送入MCGS组态软件实时数据库中的指定数据对象，同时把数据对象的值送入指定的PLC设备通道。三菱FX系列PLC编程口设备构件把PLC的通道分为只读，只写，读写三种情况，由于设备构件中X输入继电器只能进行只读操作，无法对按钮开关、传感器等对应的PLC端口进行赋值操作，因此在PLC程序中通过M中间继电器替代X输入继电器，在三菱FX系列PLC编程口设备构件的内部属性中增加相应的通道并设置成只写的操作方式，这样就可以通过MCGS中的按钮间接的模拟按钮开关、传感器等输入；通过MCGS中的滑动输入器或输入框把指定的值送入PLC的D寄存器，实现对数值型传感器输入的模拟；同样将Y输出继电器设置成只读的操作方式，在MCGS中通过指示灯的形式显示出来，并根据Y输出继电器的状态编辑相应的动画仿真真实的设备工作状态。

三、教学案例设计

四层教学电梯系统在各类院校的机电一体化综合实训教学中得到了广泛的利用。其基本控制要求如下：电梯启动后，轿厢在一楼。若第一层有呼梯信号，则开门；运行过程中可记忆并响应其他信号，内选优先，当呼梯信号大于当前楼层时上升，呼楼信号小于当前楼层时下降；如果是内选呼叫，到达呼叫楼层时，平层后门开，消除记忆；如果是外选呼叫，且运行方向的下游有呼叫等待时，运行方向与外选呼叫方向一致时才开门，否则记忆并保持原运动方向，到达呼叫楼层后再反向运行，响应呼梯；开门期间，也可进行多层呼楼选择；若无呼楼信号，则轿厢停在当前楼层；电梯不用时，回到第一层，开门后断电，再使用时重新启动。借助MCGS与PLC搭建的仿真系统可以在不需要连接电梯模型的情况完成程序调试，程序调试工作完成后仅需处理任务中硬件相关的问题。如图1所示，在MCGS中，用数据对象的名称来直接操作数据对象，例如，在MCGS中四层平层开关对应的数据对象直接可以定义为M204，并在三菱FX系列PLC编程口设备构件中与PLC中的M204中间继电器关联，设置成只写的形式，这样就可以用MCGS对PLC中的M204进行写操作，当赋值为1时，认为四层平层开关接通；同理，在MCGS中四层内呼指示对应的数据对象直接可以定义为Y11，并在三菱FX系列PLC编程口设备构件中与PLC中的Y11输出继电器关联，设置成只读的形式，这样就可以用MCGS对PLC中的Y11进行读操作，并通过指示灯显示出来。由图形对象搭建的电梯运动状态模拟界面是静止的，要使它们“动”起来，真实地表现电梯上升下降、开门关门、楼层指示的状态变化，达到运行过程实时仿真的目的，必须将MCGS用户窗口中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应图像对象的动画属性，在MCGS的运行策略组态中编写控制电梯运动状态模拟的程序。这样PLC控制电梯运行的过程，就会由数据对象对PLC输出信号的实时采集和对PLC相关输入信号的写入结果进行驱动，从而实现动态仿真，创设“真实的”情境。如图1所示的状态是：电梯停在二层，门打开，电梯内有四层呼叫，电梯外有三上呼叫、三下呼叫和一层外呼叫，可以看出仿真效果好，界面显示直观，可操作性强，学生借助此仿真系统调试程序，大大提高了学习的效率。四层以上电梯控制程序的调试只需该系统平台在软件上做一些改动就可实现，相比以前电梯模型要在硬件上做很大改动，大大节省了成本，体现出明显的优越性，为学生能力的进一步拓展提供了平台，同时也为老师评价和学生互评提供了更好的平台。

基于本实训仿真教学平台的实训项目还有机械手控制、交通灯控制等十几种项目，由于实际硬件的教学模型设备投入较大，对教学空间也比较苛刻，从而给各个院校的实践教学带来很大的困扰。本实训仿真教学平台利用MCGS组态软件实现PLC与上位机通信的方法简单易行，在上位机界面上达到了PLC程序调试运行效果，资金投入较少，对教学空间要求也不高，适合大批量学生的实践训练，符合大多数高等院校及培训机构的教学要求。该实训仿真教学平台除锻炼学生的PLC程序编写能力外，还可锻炼学生的组态软件应用能力，该系统为我校开发的机电一体化综合实验实训系统的子系统，在机电一体化综合实训课程教学中，对学生的机电一体化综合技术应用能力的培养，具有突出的优点和很好的利用价值。