陳家新,陳廣鋒,華 華,孫以澤
(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海201620)
“機(jī)械電氣電子控制技術(shù)”課程是專門講授機(jī)械電控技術(shù)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,教材內(nèi)容的定位是全面高效培養(yǎng)我國(guó)機(jī)電工業(yè)領(lǐng)域的電控技術(shù)合格人才的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作[1,2]。近20年來,機(jī)械電控系統(tǒng)在電機(jī)、電力驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制、傳感器和通信等技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下,控制系統(tǒng)的控制對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制方法等各要素均已發(fā)生了明顯的變化,整個(gè)控制系統(tǒng)由單機(jī)電控系統(tǒng)向以現(xiàn)場(chǎng)總線為主的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[3-5]?,F(xiàn)有的“機(jī)械電氣電子控制技術(shù)”課程難以滿足這些新要求。
問題直接體現(xiàn)在三個(gè)方面:①內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的步伐,培養(yǎng)的學(xué)生與產(chǎn)業(yè)界對(duì)機(jī)械電控系統(tǒng)高素質(zhì)專業(yè)設(shè)計(jì)人才的需求相距甚遠(yuǎn);②內(nèi)容編排沒有充分體現(xiàn)專業(yè)化的發(fā)展總體趨勢(shì),仍試圖包括有關(guān)其它課程的技術(shù)內(nèi)容,造成該課程內(nèi)容重復(fù),重點(diǎn)不強(qiáng),削弱了自身的特點(diǎn);③沒有處理好課堂教學(xué)和課外自學(xué)二者間的關(guān)系?,F(xiàn)有的教材注重知識(shí)的傳授,對(duì)學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng),關(guān)注不夠,這既造成了課程授課負(fù)擔(dān)過重,而且在課時(shí)數(shù)的限制下,預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。
機(jī)械裝置在控制方法上從手動(dòng)到自動(dòng),在控制功能上從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,在操作上由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型器件及通訊網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),又為機(jī)械電氣電子控制技術(shù)的發(fā)展開拓了新途徑,電控系統(tǒng)的控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對(duì)象均已發(fā)生變化,尤其是控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變化尤為明顯。
從控制器角度來看,機(jī)械裝置控制器可分為四個(gè)階段:繼電器接觸器控制器、順序邏輯控制器、微處理器及PLC控制器和現(xiàn)場(chǎng)總線控制器,其發(fā)展過程如圖1所示。
圖1 機(jī)械裝置控制發(fā)展示意圖
早期的繼電器接觸器控制系統(tǒng),由于其控制器是由各種刀閘、按鈕、行程開關(guān)、中間繼電器、時(shí)間繼電器、過流繼電器、過壓繼電器以及熱繼電器等電器裝置構(gòu)成的邏輯控制電路來實(shí)現(xiàn),而被稱為機(jī)床電器控制系統(tǒng)。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的工作電壓比較低,被稱為低壓電器控制系統(tǒng)。該類系統(tǒng)的控制對(duì)象是電機(jī)、氣缸、液壓缸、電磁鐵和電磁閥,并通過執(zhí)行器—接觸器,來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的啟動(dòng)、停車和有極調(diào)速等控制。而繼電器接觸式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、抗干擾強(qiáng)和價(jià)格低,因此廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床和機(jī)械設(shè)備。目前,我國(guó)繼電器接觸式控制仍然是機(jī)床和其他機(jī)械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。
在實(shí)際生產(chǎn)中由于大量存在順序控制過程,而實(shí)際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的,因而傳統(tǒng)的繼電器接觸式控制系統(tǒng)常不能滿足這種要求,進(jìn)而出現(xiàn)了繼電器接觸控制和電子技術(shù)相結(jié)合的控制裝置—順序控制器。它通過組合邏輯元件插接或編程來實(shí)現(xiàn)繼電器接觸器控制功能。控制對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與繼電器接觸器控制系統(tǒng)相同。由于順序邏輯控制器將屬于弱電領(lǐng)域的電子技術(shù)引入了機(jī)械的電控系統(tǒng)當(dāng)中,機(jī)床電器控制系統(tǒng)變成了機(jī)床電氣控制系統(tǒng),弱電控制強(qiáng)電的轉(zhuǎn)變變得越發(fā)清晰。隨著微處理器技術(shù)的快速發(fā)展,順序邏輯控制系統(tǒng)很快就被后續(xù)的微處理器為代表的控制系統(tǒng)所取代。此外,它與繼電器接觸器控制系統(tǒng)相比,除了控制器有所變化外,執(zhí)行器和控制對(duì)象一致,而且都屬于低壓控制系統(tǒng)。因此,順序邏輯控制系統(tǒng)和繼電器接觸器控制系統(tǒng),被一同稱為低壓電器控制系統(tǒng)。
上世紀(jì)70年代將計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)技術(shù)引入順序控制器,產(chǎn)生了可編程程序控制器PLC,它兼?zhèn)淞擞?jì)算機(jī)控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點(diǎn),已作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用裝置普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。與此同時(shí),嵌入式芯片快速發(fā)展也為機(jī)械裝置控制提供更多選擇,單片機(jī)、DSP、ARM和FPGA等微處理器廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制。此時(shí)的控制器是由各種微處理器或PLC構(gòu)成,執(zhí)行器除了包括能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁鐵等受控對(duì)象的接觸器和固態(tài)開關(guān)外,還包括能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器裝置。在功能上,除了可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、交直流調(diào)速和位置伺服控制功能外,還能實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制功能。
隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展,依托模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的理念的深入,復(fù)雜機(jī)械裝置電氣電子控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)總線將各個(gè)控制子系統(tǒng)集成起來。在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)總線控制器向機(jī)床電氣控制系統(tǒng)發(fā)出某種運(yùn)行要求的指令,由機(jī)床電氣控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)等受控對(duì)象完成預(yù)定動(dòng)作,此時(shí),機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的控制器既是機(jī)床本體的控制器,也是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的執(zhí)行器。
我們從機(jī)械電氣電子控制技術(shù)的發(fā)展歷史,可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械電氣電子控制系統(tǒng)控制器、執(zhí)行器和控制對(duì)象發(fā)生了變化,尤其是控制器和執(zhí)行器變化非常明顯??刂破鞑粩嘞驈?fù)雜、柔性、弱電、小型、智能和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展,而執(zhí)行器則由原來的接觸器為主的單件構(gòu)成,向以系統(tǒng)模塊化方向發(fā)展。以控制對(duì)象為電機(jī)的執(zhí)行器為例,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的執(zhí)行器可以是微處理器和PLC控制系統(tǒng)的控制器和執(zhí)行器的集成系統(tǒng),而以電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為主要執(zhí)行器的微處理器和PLC控制系統(tǒng),則因包括電機(jī)控制的執(zhí)行器和控制器,而類似于低壓電器控制系統(tǒng)的控制器和執(zhí)行器。在這種不斷升級(jí)的過程中,其實(shí)伴隨著其他新學(xué)科、新課程的誕生和發(fā)展。
我們從各類控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器的角度來觀察,早期的電機(jī)控制僅有啟停和正反轉(zhuǎn)控制要求。由于要求簡(jiǎn)單、內(nèi)容少,機(jī)械工程學(xué)科就可直接包括低壓電器控制技術(shù)的內(nèi)容。但是隨著系統(tǒng)性能要求的提高,電機(jī)不僅要調(diào)速,甚至還要精確定位控制功能。由于難度大幅提高,引入了大量新的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),而這些技術(shù)與電氣工程學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科和信息控制工程學(xué)科關(guān)系更為密切。因此,“電力電子及電力傳動(dòng)”這個(gè)新學(xué)科方向便誕生了,其中交直流調(diào)速系統(tǒng)和交直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等內(nèi)容就屬于該學(xué)科方向核心專業(yè)課程—“電力電子學(xué)”這門新課程講授的內(nèi)容。從控制器的角度來觀察,低壓電器系統(tǒng)的控制器全部由硬件構(gòu)成的邏輯電路來實(shí)現(xiàn),同樣因?yàn)橐蠛?jiǎn)單、內(nèi)容少,可以直接安排在“機(jī)床電器控制技術(shù)”課程中。隨著系統(tǒng)性能要求的提高和復(fù)雜性大幅增加,出現(xiàn)了以微處理器和PLC為核心的控制器。同樣內(nèi)容過多,出現(xiàn)了專門介紹微處理器和PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用的課程,其中典型的課程有“單片機(jī)原理和接口技術(shù)”和“PLC控制技術(shù)”。至于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),由于種類和內(nèi)容繁多,隨即誕生了專門介紹現(xiàn)場(chǎng)總線工作原理和控制技術(shù)的課程,即“現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)”。
在課程任務(wù)定位后,還要考慮該課程自身內(nèi)在因素和其它學(xué)科或課程對(duì)其影響的外部因素的定位。從自身來講,由于歷史上出現(xiàn)了多個(gè)典型系統(tǒng),至今也仍在被實(shí)際使用,因此如何歸類,如何考量各類控制系統(tǒng)的內(nèi)容,以及“現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)”作為一個(gè)典型分布式網(wǎng)絡(luò)機(jī)電控制系統(tǒng)而放進(jìn)“機(jī)械電氣電子控制技術(shù)”課程中的做法是否合適?如果不合適,那么合適的處理辦法又是什么?這些問題,都是定位前必須要給出解答的。而從與其它學(xué)科或課程的關(guān)系處理上,同樣由于這些學(xué)科都是與機(jī)械電氣電子控制技術(shù)相關(guān),既然不能全面包括,那么“機(jī)械電氣電子控制技術(shù)”課程中安排對(duì)應(yīng)的內(nèi)容,側(cè)重點(diǎn)是什么?此外,課時(shí)與要講授眾多的控制系統(tǒng)內(nèi)容間矛盾、理論與實(shí)踐教育間的關(guān)系以及課堂內(nèi)授課和課外自學(xué)間的關(guān)系,同樣是定位前必須要認(rèn)真處理的問題。
在給定了機(jī)械負(fù)載特性和控制性能要求的前提下來設(shè)計(jì)一個(gè)適合要求的電氣電子控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)言之,就是專門研究機(jī)械裝置的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。從這個(gè)任務(wù)規(guī)定來看,有關(guān)控制要求、機(jī)械負(fù)載特性和環(huán)境特性,即任務(wù)書的確定問題不屬于這門課程講授內(nèi)容,應(yīng)全部歸結(jié)為機(jī)械電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的給定條件。其次,在典型機(jī)械電氣電子控制系統(tǒng)的歸類劃分問題上,盡管各類典型系統(tǒng)實(shí)際上有交叉關(guān)系,但是因電控系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)都是由各類典型系統(tǒng)為基本單元構(gòu)成,因此在課程中仍以典型系統(tǒng)的內(nèi)容講解為主。但是,考慮到繼電器接觸器控制系統(tǒng)與順序邏輯控制系統(tǒng)的執(zhí)行器和受控對(duì)象一致,針對(duì)控制器的實(shí)現(xiàn)方法不一樣,而且后者已運(yùn)用不多,因此建議將二者統(tǒng)一合并為低壓電器控制系統(tǒng)。
在該系統(tǒng)中,以繼電器接觸器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容為主,捎帶順序邏輯控制系統(tǒng)中的控制器實(shí)現(xiàn)原理內(nèi)容。其次,對(duì)于各個(gè)典型的機(jī)械電氣電子控制系統(tǒng)也有多種類型,如微處理器控制系統(tǒng)的控制器就包含可編程控制器(PLC)、可編程自動(dòng)化控制器(PAC)、嵌入式微控制芯片(MCS51單片機(jī)、PIC單片機(jī)、AVR單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA)及 PC 機(jī)等多種類型。在課程中包括所有這些內(nèi)容,顯然是不合適的,如果加上多種執(zhí)行器,那么在有限的課時(shí)是根本無法完成的。因此選擇這部分內(nèi)容時(shí),采取了以生產(chǎn)實(shí)踐中大量使用的典型系統(tǒng)如PLC系統(tǒng)為主,同時(shí)從技術(shù)的角度上,兼顧一些非主流的內(nèi)容的做法。對(duì)于非主流微處理器控制系統(tǒng),可以考慮安排有關(guān)單片機(jī)在機(jī)械電控系統(tǒng)中應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)容。
通過這些內(nèi)容講解,學(xué)生也就可了解DSP、嵌入式系統(tǒng)、FPGA和PC機(jī)應(yīng)用于機(jī)械電控系統(tǒng)所需的知識(shí)點(diǎn)。出于對(duì)機(jī)械電控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與控制要求,現(xiàn)在一般機(jī)械電控系統(tǒng)也都含有各類通信接口,以便上位機(jī)通過這些通信端口來實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制功能,這與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的工作方法是一致的。
由于現(xiàn)場(chǎng)總線種類繁多,目前主要的就有TCP/IP、Ethernet、CAN、FF、Profibus、Modbus、DeviceNet、USB、RS232和RS485等多種,將其安排進(jìn)微處理器和PLC典型控制系統(tǒng),或者安排一節(jié)包括這些所有總線控制技術(shù)的做法,都是不合適的??紤]到,各類通信方式主要區(qū)別表現(xiàn)在機(jī)械、電氣接口和協(xié)議接口等三個(gè)方面的性能,但是知識(shí)點(diǎn)一致,因此可以考慮選用一個(gè)或兩個(gè)典型系統(tǒng)的實(shí)例來加以講解。
我們應(yīng)注重其它課程提供的模塊功能和接口技術(shù)。以“電力電子技術(shù)”課程提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為例,機(jī)械電氣電子控制技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注其接口技術(shù)和功能。關(guān)于理論與實(shí)踐教育,為提高教育效率和質(zhì)量,建議在低壓電器控制系統(tǒng)、微處理器和PLC控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等章節(jié)安排的實(shí)例,也就是要做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。關(guān)于課堂內(nèi)授課和課外自學(xué)間的關(guān)系。在這個(gè)問題上,要在教材上,有意識(shí)安排各個(gè)典型控制系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)、理解的順序,啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維模式,以便實(shí)現(xiàn)學(xué)生達(dá)到觸類旁通的效果。
對(duì)于低壓電器控制系統(tǒng),以繼電器接觸器控制系統(tǒng)為主,順序邏輯控制系統(tǒng)為輔;對(duì)于微處理器和PLC控制系統(tǒng),以PLC控制系統(tǒng)為主,微處理器控制系統(tǒng)為輔。選擇案例重點(diǎn)關(guān)注知識(shí)點(diǎn),對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)以應(yīng)用簡(jiǎn)單和容易實(shí)施的RS-232、Modbus和CAN作為典型代表,講解基本原理及應(yīng)用。其余內(nèi)容可以作為外圍內(nèi)容由學(xué)生自己擴(kuò)展學(xué)習(xí),依據(jù)個(gè)人需要可以選修“現(xiàn)場(chǎng)總線”和“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”等相關(guān)課程。
對(duì)于低壓電器控制系統(tǒng),以接觸器和電磁閥為主要內(nèi)容;對(duì)于微處理器和PLC控制系統(tǒng),以變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等執(zhí)行器的選擇和使用方法為主要內(nèi)容;對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),以伺服驅(qū)動(dòng)器為執(zhí)行器的選擇和使用方法為課程的主要內(nèi)容。
對(duì)于低壓電器控制系統(tǒng),以液壓缸、直流電機(jī)和三相異步電機(jī)為主要內(nèi)容;對(duì)于微處理器和PLC控制系統(tǒng),以交流變頻電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為主要內(nèi)容;對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),以交流伺服電機(jī)為主要內(nèi)容。受控對(duì)象內(nèi)容,重點(diǎn)在于選擇和使用方法。
對(duì)于低壓電器控制系統(tǒng),安排一個(gè)繼電器接觸器控制系統(tǒng)和順序邏輯控制器都可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課題;對(duì)于微處理器和PLC控制系統(tǒng),安排一個(gè)二者都可實(shí)現(xiàn)的以變頻器為執(zhí)行器的實(shí)驗(yàn)課題;對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),安排一個(gè)以PC主機(jī)和單片機(jī)為從機(jī),通信協(xié)議采用RS-232,執(zhí)行器為伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)課題。
目前,關(guān)于“機(jī)械電氣電子控制技術(shù)”課程名稱有多種,典型的就有:“機(jī)床電氣控制技術(shù)”、“機(jī)電控制技術(shù)”、“機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)”、“機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)”和“(光)機(jī)電集成控制技術(shù)”等。盡管名稱有些差別,但是都以機(jī)械工程學(xué)科的學(xué)生為授課對(duì)象,而且都以機(jī)械的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)為主要任務(wù),因此筆者以為使用統(tǒng)一的“機(jī)械電氣電子控制技術(shù)”課程名稱似乎更合適?!皺C(jī)床電氣控制技術(shù)”名稱與現(xiàn)實(shí)不斷擴(kuò)大的應(yīng)用對(duì)象相違,“機(jī)電控制技術(shù)”應(yīng)用對(duì)象和被應(yīng)用對(duì)象難以區(qū)別?!皺C(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)”和“機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)”將機(jī)械的控制要求狹隘地限制在傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)性能上,實(shí)際上機(jī)械裝置有多種不同的控制要求比如以爐體溫度為控制要求的中頻爐,因此二者并不合適。由于光本身也是一種電磁波,而且光在機(jī)械電氣電子控制技術(shù)中的內(nèi)容并不多,取名“光機(jī)電集成控制技術(shù)”似乎有華而不實(shí)之嫌。
本文依據(jù)機(jī)械電氣電子課程實(shí)現(xiàn)的目的和專業(yè)化發(fā)展的要求,以控制器及執(zhí)行器的發(fā)展為主線分析了機(jī)械電氣電子控制系統(tǒng)的演變,對(duì)“機(jī)械電氣電子控制技術(shù)”課程教學(xué)范圍進(jìn)行定位研究,明確了機(jī)械電氣電子控制技術(shù)的研究任務(wù),對(duì)相關(guān)學(xué)科中的內(nèi)容關(guān)注重點(diǎn),分析了定位過程中遇到的主要困難,提出了相應(yīng)的解決辦法,最終確定了“機(jī)械電氣電子控制技術(shù)”課程中的有關(guān)內(nèi)容。本文的定位研究將對(duì)該課程后續(xù)的教學(xué)起到積極的指導(dǎo)作用。
[1]陳韋明,何美生.電氣控制及PLC控制技術(shù)[M],北京:清華大學(xué)出版社,2010
[2]齊占慶,王振臣.機(jī)床電氣控制技術(shù)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008
[3]歐益寶,雷菊珍.機(jī)械類《機(jī)床電氣控制與PLC》教學(xué)改革[J],北京:科技資訊,2006,(33):80-81
[4]黃娟花.《機(jī)床電氣控制技術(shù)》項(xiàng)目教學(xué)環(huán)境下的學(xué)生差異性[J],北京:中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2011,35:164
[5]Jon S.Wilson著,林龍信,鄧斌譯.傳感器技術(shù)手冊(cè)(Sensor Technology Handbook.Turing)[M],北京:人民郵電出版社,2009