關鍵詞：九站柔性制造生産線上位通訊交互式教學教學媒體平台
制造業對柔性生産線的加快應用，急需大批柔性制造技術專業人才。國内教學設備企業已經開發出多種成套的柔性生産線技術實訓設備。這些設備綜合了當今光機電一體化先進技術，能夠實現生産線各種複雜功能，可以訓練學生對柔性生産線的設計、安裝、調試、故障診斷與維修等綜合職業能力。但這衆多廠家的實訓設備出廠時隻配備一份産品使用說明書或者實訓指導書，都沒有相應的教學媒體平台。由于柔性生産線所涉及的知識很廣，教師在教學中沒有相應的課件及教學資料，均需要自己準備教學資源、制作課件等，工作量很大。由于教師的個人能力與精力有限，不可避免地在教學中出現“缺乏系統性、可視性、趣味性”等缺陷。
生産線的上位監控，是以計算機為基礎的生産過程控制與自動化調度的系統，可以以此實現數據采集、測量、參數調節以及監視控制現場設備，同時發出現場報警并有序處理報警信息。人機交互是人與計算機的信息交換過程，其模式主要經曆了“鍵盤、鼠标、觸控技術、多媒體技術、虛拟現實技術”的發展階段。學校考慮現階段的教學實際，選用較大尺寸的觸摸屏幕來滿足交互式教學的需要，為“柔性制造生産線實訓設備”設計一個适合九站柔性制造生産線的上位通訊結構、人機交互和教學媒體平台結構，以方便快捷地和設備交互探究式學習，展現技術要領，提高課堂效果。
一、九站柔性制造生産線上位通訊結構設計
九站生産線由“供料站、檢測站、加工站、處理站、緩沖站、擠壓站、自動倉儲站、機器人站、分類存儲站”組成，每個站點由一台可編程序控制器來控制，學校所研究的技術展示平台，基本功能是實時采集并控制生産線各站點工作狀态，因此要建立上位通訊，為九站柔性制造生産線設計一個合适的通訊結構。
在九站柔性制造生産線控制系統中，上下控制層間的通訊是計算機和PLC之間的通訊。在這裡，可以采用工業控制計算機（IPC）或者個人計算機（PC），計算機和PLC之間的通訊實際上就是在一台計算機和多台PLC之間建立網絡。要用計算機和九台PLC建立上下層的通訊鍊路，可以采用兩種方案，一是點對點通訊結構，二是多點通訊結構。點對點通訊結構，計算機的COM口與一台PLC直接通訊，通訊時間短，速度快；而多點通訊結構，一台計算機要與多台PLC共同連在同一條串行通訊總線上進行通訊，計算機從與第一個PLC通訊到處理完與第九個通訊，通訊時間長，速度慢，不能瞬時實時監控，但考慮到串行通訊擴展卡槽的數量限制，學校采用“點對點”通訊結構，如圖1所示。
圖1九站點對點通訊結構筆者學校所研究的系統，主要的研究作為一個交互式技術展示平台，次要的研究是實現現場計算機對九站柔性制造生産線各機構工作狀态的監控。因此對底層各機構工作狀态采集的數據量少，考慮到這一點，學校還可以采用單純的“多點通訊結構”，如圖2所示。
在圖1和圖2中，通訊協議采用串行通訊，一是RS232通訊協議，另一種是RS485通訊，底層硬件在該生産線中使用了九台三菱公司的型号FX3U系列的PLC。為了實現與上位計算機的通訊，每個PLC配有一個專用于通訊的擴展模塊FX3U-485BD，用于實現信息的轉換和傳遞。由于PLC的通訊模塊使用RS485通訊協議，而上位計算機用于通訊的串口使用的是RS232通訊協議，為了保障通訊的進行，必須實現通訊協議的轉換，所以還附加使用了一個從RS485到RS232的協議轉換模塊。
圖2九站多點通訊結構二、九站柔性制造生産線人機交互結構設計
九站柔性制造生産線上位監控教學系統，除了要實時采集并控制生産線各站點工作狀态外，更主要的功能是實現交互式教學。硬件方面，監控兼交互式教學用的電腦采用86寸觸摸屏多媒體教學一體機電腦，同時為學生每人提供一台平闆電腦，運用上位監控用FIX軟件為學生設計人機界面，觸摸屏一體機電腦和平闆電腦利用無線局域網互聯。
設計目的在于方便快捷直觀地展示九站柔性生産線核心技術與技能操作要領，以圖片、音頻、視頻、動畫等學生喜聞樂見的形式作為人機交互界面，能夠實時記錄現場數據，确定工件的位置、加工裝配質量等信息，并用不同顔色的組态鮮明地展現出來，為教師指導、學生自主探究式學習提供平台。人機交互界面的設計重點在于形象直觀地展示九站柔性制造生産線的工作過程和運行狀态，并且能夠準确快捷地提取相關教學資源，激發學生的學習興趣。人機交互界面的結構體系設計上采用了控件分級和分層的布置方式。分級是指把控件按功能劃分成多個組，每一組按照邏輯關系細化成多個級别，用一級按鈕控制二級按鈕的彈出和隐藏，從而保證了界面的簡潔。分層是把不同級别的按鈕縱向展開在不同的區域，區域之間有明顯的分界線，在使用某個按鈕彈出下級按鈕的同時對其他同級的按鈕實現隐藏，使邏輯關系更清晰。
整個人機交互界面的設計重點在于如何展示生産線運行狀态和教學資源，如圖3所示。
圖3九站柔性生産線人機交互結構三、九站柔性制造生産線教學媒體平台的結構設計
應用現代教學媒體可以充分調動學習者的參與積極性，使學習者與教學内容、教學環境之間進行有效的交互作用，促進學習者的認知過程，提高教學效果。
九站柔性生産線教學媒體平台在硬件上配備大觸摸屏電腦用于教師教學、演示使用，以及平闆電腦用于學生課上學習及師生的互動，軟件上需支持無線網絡，同時支持手機app功能，用于學生課下自主預習、複習。平台設計以學生為中心，基于“線上+線下”“平台+課程”的教學新理念，通過課堂講授、輔助學習和自主學習相結合，實現傳統課堂教學與現代網絡技術的融通運用，構建混合式教學新模式；可以實現教學互動功能、資源共享功能、模拟實操功能、移動學習功能，達到教師能夠進行課程建設、教學監控、資源共享和學生能夠自主學習的目的。
平台結構由網絡教學管理功能平台與各種資源庫組成，教學資源有：多媒體課件庫、教學微視頻庫、動畫圖片庫、仿真實訓庫、技能考核技能競賽試題庫、行業标準庫、理論知識試卷庫、文獻資料庫，網絡教學管理功能平台可以鍊接調用所有教學資源，為教師和學生服務。為此，教師可以利用管理平台來備課、資源建設、課程教學、課題管理、課程制作以及用戶管理、資源管理、系統管理；對學生而言，可以自主學習、合作學習、協作學習以及進行課程評價等。
由此，學生進入教室，就猶如進入到九站柔性制造生産線交互式教學環境中。在這裡，由教師創設工業現場應用情景，激發學生的學習熱情，學生就開啟了探索知識之旅。學生可以在平闆電腦上啟動生産線，在人機界面上輕點“生産線運行狀态”，就可以自由地獲知各個站工作的狀态；學生可以點開每個機構，獲知機械裝配過程，然後自己動手拆裝，獲知方式有文字說明、圖片展示、動畫展示以及實物操作微視頻；學生可以獲知各種傳感器的知識，點擊各站點相應位置的傳感器圖标，有關此傳感器概念、類别、結構性能、工作原理以及傳感器的調整方法等知識點便呈現出來，接着可以自己現場動手調整參數。學生可以獲取控制器的知識、各種驅動的知識等等，大大方便了學生的自主學習。
四、小結
本論文旨在設計一個高效的技術展示平台，同時它也是一種全新的教學模式。該技術展示平台方便快捷展示九站柔性生産線核心技術與技能操作要領，讓傳統的老師教、學生學，轉變為教師指導并激發學生探索知識的熱情、學生自主探究式學習，學生通過生産線交互界面充分獲得知識，學習興趣大增，在職業技能教學實踐中取得良好的教學效果，非常值得借鑒推廣。
（作者單位：濟南市技師學院）