“機械電氣電子控制技術”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”課程是專門講授機械電控技術的一門專業基礎課程，教材內容的定位是全面高效培養我國機電工業領域的電控技術合格人才的關鍵基礎工作[1，2]。近20年來，機械電控系統在電機、電力驅動、計算機控制、傳感器和通信等技術發展的推動下，控制系統的控制對象、執行機構和控制方法等各要素均已發生了明顯的變化，整個控制系統由單機電控系統向以現場總線為主的多機網絡化控制系統轉變[3-5]?，F有的“機械電氣電子控制技術”課程難以滿足這些新要求。

問題直接體現在三個方面:①內容遠遠落后產業界發展的步伐，培養的學生與產業界對機械電控系統高素質專業設計人才的需求相距甚遠;②內容編排沒有充分體現專業化的發展總體趨勢，仍試圖包括有關其它課程的技術內容，造成該課程內容重復，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系?，F有的教材注重知識的傳授，對學生自學能力的培養，關注不夠，這既造成了課程授課負擔過重，而且在課時數的限制下，預期的培養目標難以實現。

1 機械電氣電子控制技術的發展

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絡的出現，又為機械電氣電子控制技術的發展開拓了新途徑，電控系統的控制器、執行機構及控制對象均已發生變化，尤其是控制器和執行機構的變化尤為明顯。

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控制器和現場總線控制器，其發展過程如圖1所示。

圖1 機械裝置控制發展示意圖

1.1 繼電器接觸器控制系統

早期的繼電器接觸器控制系統，由于其控制器是由各種刀閘、按鈕、行程開關、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成的邏輯控制電路來實現，而被稱為機床電器控制系統。因為控制系統的工作電壓比較低，被稱為低壓電器控制系統。該類系統的控制對象是電機、氣缸、液壓缸、電磁鐵和電磁閥，并通過執行器—接觸器，來實現對機床的啟動、停車和有極調速等控制。而繼電器接觸式控制系統的優點是結構簡單、維護方便、抗干擾強和價格低，因此廣泛應用于各類機床和機械設備。目前，我國繼電器接觸式控制仍然是機床和其他機械設備最基本的電氣控制形式之一。

1.2 順序邏輯控制系統

在實際生產中由于大量存在順序控制過程，而實際生產工藝和流程又是經常變化的，因而傳統的繼電器接觸式控制系統常不能滿足這種要求，進而出現了繼電器接觸控制和電子技術相結合的控制裝置—順序控制器。它通過組合邏輯元件插接或編程來實現繼電器接觸器控制功能?？刂茖ο蠛蛨绦袡C構與繼電器接觸器控制系統相同。由于順序邏輯控制器將屬于弱電領域的電子技術引入了機械的電控系統當中，機床電器控制系統變成了機床電氣控制系統，弱電控制強電的轉變變得越發清晰。隨著微處理器技術的快速發展，順序邏輯控制系統很快就被后續的微處理器為代表的控制系統所取代。此外，它與繼電器接觸器控制系統相比，除了控制器有所變化外，執行器和控制對象一致，而且都屬于低壓控制系統。因此，順序邏輯控制系統和繼電器接觸器控制系統，被一同稱為低壓電器控制系統。

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引入順序控制器，產生了可編程程序控制器PLC，它兼備了計算機控制和繼電器控制系統兩方面的優點，已作為一種標準化通用裝置普遍應用于工業控制。與此同時，嵌入式芯片快速發展也為機械裝置控制提供更多選擇，單片機、DSP、ARM和FPGA等微處理器廣泛應用于工業現場控制。此時的控制器是由各種微處理器或PLC構成，執行器除了包括能夠直接驅動電機和電磁鐵等受控對象的接觸器和固態開關外，還包括能夠直接驅動電機的電機驅動器如變頻器和伺服驅動器裝置。在功能上，除了可以實現單個電機正反轉、交直流調速和位置伺服控制功能外，還能實現多電機的同步控制功能。

1.4 現場總線控制系統

隨著相關技術發展，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通過現場總線將各個控制子系統集成起來。在現場總線控制系統中，現場總線控制器向機床電氣控制系統發出某種運行要求的指令，由機床電氣控制系統來驅動電機等受控對象完成預定動作，此時，機床電氣控制系統中的控制器既是機床本體的控制器，也是現場總線控制系統的執行器。

2 課程相關學科的發展

我們從機械電氣電子控制技術的發展歷史，可以發現機械電氣電子控制系統控制器、執行器和控制對象發生了變化，尤其是控制器和執行器變化非常明顯?？刂破鞑粩嘞驈碗s、柔性、弱電、小型、智能和網絡化方向發展，而執行器則由原來的接觸器為主的單件構成，向以系統模塊化方向發展。以控制對象為電機的執行器為例，現場總線控制系統的執行器可以是微處理器和PLC控制系統的控制器和執行器的集成系統，而以電機驅動器為主要執行器的微處理器和PLC控制系統，則因包括電機控制的執行器和控制器，而類似于低壓電器控制系統的控制器和執行器。在這種不斷升級的過程中，其實伴隨著其他新學科、新課程的誕生和發展。

我們從各類控制系統中的執行器的角度來觀察，早期的電機控制僅有啟停和正反轉控制要求。由于要求簡單、內容少，機械工程學科就可直接包括低壓電器控制技術的內容。但是隨著系統性能要求的提高，電機不僅要調速，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動技術，而這些技術與電氣工程學科、計算機學科和信息控制工程學科關系更為密切。因此，“電力電子及電力傳動”這個新學科方向便誕生了，其中交直流調速系統和交直流伺服驅動系統等內容就屬于該學科方向核心專業課程—“電力電子學”這門新課程講授的內容。從控制器的角度來觀察，低壓電器系統的控制器全部由硬件構成的邏輯電路來實現，同樣因為要求簡單、內容少，可以直接安排在“機床電器控制技術”課程中。隨著系統性能要求的提高和復雜性大幅增加，出現了以微處理器和PLC為核心的控制器。同樣內容過多，出現了專門介紹微處理器和PLC的結構、工作原理和應用的課程，其中典型的課程有“單片機原理和接口技術”和“PLC控制技術”。至于現場總線控制系統，由于種類和內容繁多，隨即誕生了專門介紹現場總線工作原理和控制技術的課程，即“現場總線控制技術”。

3 課程定位中主要問題及處理辦法

3.1 課程定位

在課程任務定位后，還要考慮該課程自身內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，由于歷史上出現了多個典型系統，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的內容，以及“現場總線控制系統”作為一個典型分布式網絡機電控制系統而放進“機械電氣電子控制技術”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相關，既然不能全面包括，那么“機械電氣電子控制技術”課程中安排對應的內容，側重點是什么?此外，課時與要講授眾多的控制系統內容間矛盾、理論與實踐教育間的關系以及課堂內授課和課外自學間的關系，同樣是定位前必須要認真處理的問題。

3.2 課程任務

在給定了機械負載特性和控制性能要求的前提下來設計一個適合要求的電氣電子控制系統。簡言之，就是專門研究機械裝置的電控系統設計技術。從這個任務規定來看，有關控制要求、機械負載特性和環境特性，即任務書的確定問題不屬于這門課程講授內容，應全部歸結為機械電控系統設計的給定條件。其次，在典型機械電氣電子控制系統的歸類劃分問題上，盡管各類典型系統實際上有交叉關系，但是因電控系統的知識點都是由各類典型系統為基本單元構成，因此在課程中仍以典型系統的內容講解為主。但是，考慮到繼電器接觸器控制系統與順序邏輯控制系統的執行器和受控對象一致，針對控制器的實現方法不一樣，而且后者已運用不多，因此建議將二者統一合并為低壓電器控制系統。

3.3 課程內容

在該系統中，以繼電器接觸器控制系統設計內容為主，捎帶順序邏輯控制系統中的控制器實現原理內容。其次，對于各個典型的機械電氣電子控制系統也有多種類型，如微處理器控制系統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容，顯然是不合適的，如果加上多種執行器，那么在有限的課時是根本無法完成的。因此選擇這部分內容時，采取了以生產實踐中大量使用的典型系統如PLC系統為主，同時從技術的角度上，兼顧一些非主流的內容的做法。對于非主流微處理器控制系統，可以考慮安排有關單片機在機械電控系統中應用技術的內容。

通過這些內容講解，學生也就可了解DSP、嵌入式系統、FPGA和PC機應用于機械電控系統所需的知識點。出于對機械電控系統運行狀態監視與控制要求，現在一般機械電控系統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對下位機控制系統實現監測與控制功能，這與現場總線控制系統的工作方法是一致的。

由于現場總線種類繁多，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，或者安排一節包括這些所有總線控制技術的做法，都是不合適的?？紤]到，各類通信方式主要區別表現在機械、電氣接口和協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的實例來加以講解。

3.4 與其它課程關系的處理

我們應注重其它課程提供的模塊功能和接口技術。以“電力電子技術”課程提供的電機驅動器為例，機械電氣電子控制技術重點關注其接口技術和功能。關于理論與實踐教育，為提高教育效率和質量，建議在低壓電器控制系統、微處理器和PLC控制系統以及現場總線控制系統等章節安排的實例，也就是要做的實驗內容。關于課堂內授課和課外自學間的關系。在這個問題上，要在教材上，有意識安排各個典型控制系統的知識點、理解的順序，啟發學生的學習新系統設計的思維模式，以便實現學生達到觸類旁通的效果。

4 課程各部分內容界定

4.1 控制器內容范圍界定

對于低壓電器控制系統，以繼電器接觸器控制系統為主，順序邏輯控制系統為輔;對于微處理器和PLC控制系統，以PLC控制系統為主，微處理器控制系統為輔。選擇案例重點關注知識點，對于現場總線控制系統以應用簡單和容易實施的RS-232、Modbus和CAN作為典型代表，講解基本原理及應用。其余內容可以作為外圍內容由學生自己擴展學習，依據個人需要可以選修“現場總線”和“計算機網絡”等相關課程。

4.2 執行器相關內容界定

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

4.3 受控對象內容界定

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

4.4 教學案例與實驗內容界定

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

5 關于課程名稱說明

目前，關于“機械電氣電子控制技術”課程名稱有多種，典型的就有:“機床電氣控制技術”、“機電控制技術”、“機電傳動控制技術”、“機械運動控制技術”和“(光)機電集成控制技術”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設計技術為主要任務，因此筆者以為使用統一的“機械電氣電子控制技術”課程名稱似乎更合適?！皺C床電氣控制技術”名稱與現實不斷擴大的應用對象相違，“機電控制技術”應用對象和被應用對象難以區別?！皺C電傳動控制技術”和“機械運動控制技術”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中的內容并不多，取名“光機電集成控制技術”似乎有華而不實之嫌。

6 結語

本文依據機械電氣電子課程實現的目的和專業化發展的要求，以控制器及執行器的發展為主線分析了機械電氣電子控制系統的演變，對“機械電氣電子控制技術”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的研究任務，對相關學科中的內容關注重點，分析了定位過程中遇到的主要困難，提出了相應的解決辦法，最終確定了“機械電氣電子控制技術”課程中的有關內容。本文的定位研究將對該課程后續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[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[M]，北京:機械工業出版社，2008

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