“機械電氣電子控制技術(shù)”課程定位研究

陳家新，陳廣鋒，華 華，孫以澤

(東華大學機械工程學院，上海201620)

0 引言

“機械電氣電子控制技術(shù)”課程是專門講授機械電控技術(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)我國機電工業(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，機械電控系統(tǒng)在電機、電力驅(qū)動、計算機控制、傳感器和通信等技術(shù)發(fā)展的推動下，控制系統(tǒng)的控制對象、執(zhí)行機構(gòu)和控制方法等各要素均已發(fā)生了明顯的變化，整個控制系統(tǒng)由單機電控系統(tǒng)向以現(xiàn)場總線為主的多機網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[3-5]?，F(xiàn)有的“機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)在三個方面:①內(nèi)容遠遠落后產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的步伐，培養(yǎng)的學生與產(chǎn)業(yè)界對機械電控系統(tǒng)高素質(zhì)專業(yè)設(shè)計人才的需求相距甚遠;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，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，重點不強，削弱了自身的特點;③沒有處理好課堂教學和課外自學二者間的關(guān)系?，F(xiàn)有的教材注重知識的傳授，對學生自學能力的培養(yǎng)，關(guān)注不夠，這既造成了課程授課負擔過重，而且在課時數(shù)的限制下，預期的培養(yǎng)目標難以實現(xiàn)。

1 機械電氣電子控制技術(shù)的發(fā)展

機械裝置在控制方法上從手動到自動，在控制功能上從簡單到復雜，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)行機構(gòu)及控制對象均已發(fā)生變化，尤其是控制器和執(zhí)行機構(gòu)的變化尤為明顯。

從控制器角度來看，機械裝置控制器可分為四個階段: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)場總線控制器，其發(fā)展過程如圖1所示。

圖1 機械裝置控制發(fā)展示意圖

1.1 繼電器接觸器控制系統(tǒng)

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現(xiàn)，而被稱為機床電器控制系統(tǒng)。因為控制系統(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)的控制對象是電機、氣缸、液壓缸、電磁鐵和電磁閥，并通過執(zhí)行器—接觸器，來實現(xiàn)對機床的啟動、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)點是結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、抗干擾強和價格低，因此廣泛應(yīng)用于各類機床和機械設(shè)備。目前，我國繼電器接觸式控制仍然是機床和其他機械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。

1.2 順序邏輯控制系統(tǒng)

在實際生產(chǎn)中由于大量存在順序控制過程，而實際生產(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現(xiàn)繼電器接觸器控制功能?？刂茖ο蠛蛨?zhí)行機構(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)引入了機械的電控系統(tǒng)當中，機床電器控制系統(tǒng)變成了機床電氣控制系統(tǒng)，弱電控制強電的轉(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)。

1.3 微處理器和PLC控制

上世紀70年代將計算機的存儲技術(shù)引入順序控制器，產(chǎn)生了可編程程序控制器PLC，它兼?zhèn)淞擞嬎銠C控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點，已作為一種標準化通用裝置普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。與此同時，嵌入式芯片快速發(fā)展也為機械裝置控制提供更多選擇，單片機、DSP、ARM和FPGA等微處理器廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制。此時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)動電機和電磁鐵等受控對象的接觸器和固態(tài)開關(guān)外，還包括能夠直接驅(qū)動電機的電機驅(qū)動器如變頻器和伺服驅(qū)動器裝置。在功能上，除了可以實現(xiàn)單個電機正反轉(zhuǎn)、交直流調(diào)速和位置伺服控制功能外，還能實現(xiàn)多電機的同步控制功能。

1.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展，依托模塊化和標準化的理念的深入，復雜機械裝置電氣電子控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線將各個控制子系統(tǒng)集成起來。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線控制器向機床電氣控制系統(tǒng)發(fā)出某種運行要求的指令，由機床電氣控制系統(tǒng)來驅(qū)動電機等受控對象完成預定動作，此時，機床電氣控制系統(tǒng)中的控制器既是機床本體的控制器，也是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的執(zhí)行器。

2 課程相關(guān)學科的發(fā)展

我們從機械電氣電子控制技術(shù)的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)機械電氣電子控制系統(tǒng)控制器、執(zhí)行器和控制對象發(fā)生了變化，尤其是控制器和執(zhí)行器變化非常明顯?？刂破鞑粩嘞驈碗s、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。以控制對象為電機的執(zhí)行器為例，現(xiàn)場總線控制系統(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)，而以電機驅(qū)動器為主要執(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。在這種不斷升級的過程中，其實伴隨著其他新學科、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，早期的電機控制僅有啟停和正反轉(zhuǎn)控制要求。由于要求簡單、內(nèi)容少，機械工程學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驅(qū)動技術(shù)，而這些技術(shù)與電氣工程學科、計算機學科和信息控制工程學科關(guān)系更為密切。因此，“電力電子及電力傳動”這個新學科方向便誕生了，其中交直流調(diào)速系統(tǒng)和交直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)等內(nèi)容就屬于該學科方向核心專業(yè)課程—“電力電子學”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)成的邏輯電路來實現(xiàn)，同樣因為要求簡單、內(nèi)容少，可以直接安排在“機床電器控制技術(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“單片機原理和接口技術(shù)”和“PLC控制技術(shù)”。至于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，由于種類和內(nèi)容繁多，隨即誕生了專門介紹現(xiàn)場總線工作原理和控制技術(shù)的課程，即“現(xiàn)場總線控制技術(shù)”。

3 課程定位中主要問題及處理辦法

3.1 課程定位

在課程任務(wù)定位后，還要考慮該課程自身內(nèi)在因素和其它學科或課程對其影響的外部因素的定位。從自身來講，由于歷史上出現(xiàn)了多個典型系統(tǒng)，至今也仍在被實際使用，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)場總線控制系統(tǒng)”作為一個典型分布式網(wǎng)絡(luò)機電控制系統(tǒng)而放進“機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。而從與其它學科或課程的關(guān)系處理上，同樣由于這些學科都是與機械電氣電子控制技術(shù)相關(guān)，既然不能全面包括，那么“機械電氣電子控制技術(shù)”課程中安排對應(yīng)的內(nèi)容，側(cè)重點是什么?此外，課時與要講授眾多的控制系統(tǒng)內(nèi)容間矛盾、理論與實踐教育間的關(guān)系以及課堂內(nèi)授課和課外自學間的關(guān)系，同樣是定位前必須要認真處理的問題。

3.2 課程任務(wù)

在給定了機械負載特性和控制性能要求的前提下來設(shè)計一個適合要求的電氣電子控制系統(tǒng)。簡言之，就是專門研究機械裝置的電控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。從這個任務(wù)規(guī)定來看，有關(guān)控制要求、機械負載特性和環(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)為機械電控系統(tǒng)設(shè)計的給定條件。其次，在典型機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)實際上有交叉關(guān)系，但是因電控系統(tǒng)的知識點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)行器和受控對象一致，針對控制器的實現(xiàn)方法不一樣，而且后者已運用不多，因此建議將二者統(tǒng)一合并為低壓電器控制系統(tǒng)。

3.3 課程內(nèi)容

在該系統(tǒng)中，以繼電器接觸器控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容為主，捎帶順序邏輯控制系統(tǒng)中的控制器實現(xiàn)原理內(nèi)容。其次，對于各個典型的機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)、可編程自動化控制器(PAC)、嵌入式微控制芯片(MCS51單片機、PIC單片機、AVR單片機、ARM、DSP、FPGA)及 PC 機等多種類型。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，那么在有限的課時是根本無法完成的。因此選擇這部分內(nèi)容時，采取了以生產(chǎn)實踐中大量使用的典型系統(tǒng)如PLC系統(tǒng)為主，同時從技術(shù)的角度上，兼顧一些非主流的內(nèi)容的做法。對于非主流微處理器控制系統(tǒng)，可以考慮安排有關(guān)單片機在機械電控系統(tǒng)中應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)容。

通過這些內(nèi)容講解，學生也就可了解DSP、嵌入式系統(tǒng)、FPGA和PC機應(yīng)用于機械電控系統(tǒng)所需的知識點。出于對機械電控系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視與控制要求，現(xiàn)在一般機械電控系統(tǒng)也都含有各類通信接口，以便上位機通過這些通信端口來實現(xiàn)對下位機控制系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測與控制功能，這與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的工作方法是一致的。

由于現(xiàn)場總線種類繁多，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)在機械、電氣接口和協(xié)議接口等三個方面的性能，但是知識點一致，因此可以考慮選用一個或兩個典型系統(tǒng)的實例來加以講解。

3.4 與其它課程關(guān)系的處理

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)”課程提供的電機驅(qū)動器為例，機械電氣電子控制技術(shù)重點關(guān)注其接口技術(shù)和功能。關(guān)于理論與實踐教育，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)場總線控制系統(tǒng)等章節(jié)安排的實例，也就是要做的實驗內(nèi)容。關(guān)于課堂內(nèi)授課和課外自學間的關(guān)系。在這個問題上，要在教材上，有意識安排各個典型控制系統(tǒng)的知識點、理解的順序，啟發(fā)學生的學習新系統(tǒng)設(shè)計的思維模式，以便實現(xiàn)學生達到觸類旁通的效果。

4 課程各部分內(nèi)容界定

4.1 控制器內(nèi)容范圍界定

對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。選擇案例重點關(guān)注知識點，對于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以應(yīng)用簡單和容易實施的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)容由學生自己擴展學習，依據(jù)個人需要可以選修“現(xiàn)場總線”和“計算機網(wǎng)絡(luò)”等相關(guān)課程。

4.2 執(zhí)行器相關(guān)內(nèi)容界定

對于低壓電器控制系統(tǒng)，以接觸器和電磁閥為主要內(nèi)容;對于微處理器和PLC控制系統(tǒng)，以變頻器、伺服驅(qū)動器和直流電機驅(qū)動器等執(zhí)行器的選擇和使用方法為主要內(nèi)容;對于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，以伺服驅(qū)動器為執(zhí)行器的選擇和使用方法為課程的主要內(nèi)容。

4.3 受控對象內(nèi)容界定

對于低壓電器控制系統(tǒng)，以液壓缸、直流電機和三相異步電機為主要內(nèi)容;對于微處理器和PLC控制系統(tǒng)，以交流變頻電機和步進電機為主要內(nèi)容;對于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，以交流伺服電機為主要內(nèi)容。受控對象內(nèi)容，重點在于選擇和使用方法。

4.4 教學案例與實驗內(nèi)容界定

對于低壓電器控制系統(tǒng)，安排一個繼電器接觸器控制系統(tǒng)和順序邏輯控制器都可實現(xiàn)系統(tǒng)的實驗課題;對于微處理器和PLC控制系統(tǒng)，安排一個二者都可實現(xiàn)的以變頻器為執(zhí)行器的實驗課題;對于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，安排一個以PC主機和單片機為從機，通信協(xié)議采用RS-232，執(zhí)行器為伺服驅(qū)動器的實驗課題。

5 關(guān)于課程名稱說明

目前，關(guān)于“機械電氣電子控制技術(shù)”課程名稱有多種，典型的就有:“機床電氣控制技術(shù)”、“機電控制技術(shù)”、“機電傳動控制技術(shù)”、“機械運動控制技術(shù)”和“(光)機電集成控制技術(shù)”等。盡管名稱有些差別，但是都以機械工程學科的學生為授課對象，而且都以機械的電控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)為主要任務(wù)，因此筆者以為使用統(tǒng)一的“機械電氣電子控制技術(shù)”課程名稱似乎更合適?！皺C床電氣控制技術(shù)”名稱與現(xiàn)實不斷擴大的應(yīng)用對象相違，“機電控制技術(shù)”應(yīng)用對象和被應(yīng)用對象難以區(qū)別。“機電傳動控制技術(shù)”和“機械運動控制技術(shù)”將機械的控制要求狹隘地限制在傳動或運動性能上，實際上機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，而且光在機械電氣電子控制技術(shù)中的內(nèi)容并不多，取名“光機電集成控制技術(shù)”似乎有華而不實之嫌。

6 結(jié)語

本文依據(jù)機械電氣電子課程實現(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)展為主線分析了機械電氣電子控制系統(tǒng)的演變，對“機械電氣電子控制技術(shù)”課程教學范圍進行定位研究，明確了機械電氣電子控制技術(shù)的研究任務(wù)，對相關(guān)學科中的內(nèi)容關(guān)注重點，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該課程后續(xù)的教學起到積極的指導作用。

[1]陳韋明，何美生.電氣控制及PLC控制技術(shù)[M]，北京:清華大學出版社，2010

[2]齊占慶，王振臣.機床電氣控制技術(shù)[M]，北京:機械工業(yè)出版社，2008

[3]歐益寶，雷菊珍.機械類《機床電氣控制與PLC》教學改革[J]，北京:科技資訊，2006，(33):80-81

[4]黃娟花.《機床電氣控制技術(shù)》項目教學環(huán)境下的學生差異性[J]，北京:中國科教創(chuàng)新導刊，2011，35:164

[5]Jon S.Wilson著，林龍信，鄧斌譯.傳感器技術(shù)手冊(Sensor Technology Handbook.Turing)[M]，北京:人民郵電出版社，2009