九站柔性制造生产线上位监控人机交互教学系统结构设计,本文是关于人机交互在职毕业论文范文跟柔性制造和人机交互和结构设计有关专科毕业论文范文.
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摘 要：本文介绍的“九站柔性制造生产线上位监控人机交互教学系统结构设计”,旨在给教师和学生提供一个高效的技术展示平台,为职业院校技能教育中“如何在一体化课程的教学中提供一种有效的、学生喜闻乐见的教学媒体”,以便“方便快捷地和设备交互探究式学习,以展现技术要领,提高课堂效果”,提供了一种新的教学形式.因此,本课题的研究,旨在为教学模式的创新,提出一种基于上位监控系统的交互式教学模式,它同时也是一个高效的技术展示平台,驱动学生发现问题并通过生产线交互界面充分获得知识,使学生在分析问题、解决问题过程中学习知识、练就技能、提高能力.这种以培养学生的自主学习意识和创新精神、符合教育规律、尊重学生发展的教学创新方法,在教学实践中有重要的指导意义.
关键词：九站柔性制造生产线上位通讯交互式教学教学媒体平台
制造业对柔性生产线的加快应用,急需大批柔性制造技术专业人才.国内教学设备企业已经开发出多种成套的柔性生产线技术实训设备.这些设备综合了当今光机电一体化先进技术,能够实现生产线各种复杂功能,可以训练学生对柔性生产线的设计、安装、调试、故障诊断与维修等综合职业能力.但这众多厂家的实训设备出厂时只配备一份产品使用说明书或者实训指导书,都没有相应的教学媒体平台.由于柔性生产线所涉及的知识很广,教师在教学中没有相应的课件及教学资料,均需要自己准备教学资源、制作课件等,工作量很大.由于教师的个人能力与精力有限,不可避免地在教学中出现“缺乏系统性、可视性、趣味性”等缺陷.
生产线的上位监控,是以计算机为基础的生产过程控制与自动化调度的系统,可以以此实现数据采集、测量、参数调节以及监视控制现场设备,同时发出现场报警并有序处理报警信息.人机交互是人与计算机的信息交换过程,其模式主要经历了“键盘、鼠标、触控技术、多媒体技术、虚拟现实技术”的发展阶段.学校考虑现阶段的教学实际,选用较大尺寸的触摸屏幕来满足交互式教学的需要,为“柔性制造生产线实训设备”设计一个适合九站柔性制造生产线的上位通讯结构、人机交互和教学媒体平台结构,以方便快捷地和设备交互探究式学习,展现技术要领,提高课堂效果.
一、九站柔性制造生产线上位通讯结构设计
九站生产线由“供料站、检测站、加工站、处理站、缓冲站、挤压站、自动仓储站、机器人站、分类存储站“组成,每个站点由一台可编程序控制器来控制,学校所研究的技术展示平台,基本功能是实时采集并控制生产线各站点工作状态,因此要建立上位通讯,为九站柔性制造生产线设计一个合适的通讯结构.
在九站柔性制造生产线控制系统中,上下控制层间的通讯是计算机和PLC之间的通讯.在这里,可以采用工业控制计算机(IPC)或者个人计算机(PC),计算机和PLC之间的通讯实际上就是在一台计算机和多台PLC之间建立网络.要用计算机和九台PLC建立上下层的通讯链路,可以采用两种方案,一是点对点通讯结构,二是多点通讯结构.点对点通讯结构,计算机的COM口与一台PLC直接通讯,通讯时间短,速度快；而多点通讯结构,一台计算机要与多台PLC共同连在同一条串行通讯总线上进行通讯,计算机从与第一个PLC通讯到处理完与第九个通讯,通讯时间长,速度慢,不能瞬时实时监控,但考虑到串行通讯扩展卡槽的数量限制,学校采用“点对点”通讯结构,如图1所示.
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笔者学校所研究的系统,主要的研究作为一个交互式技术展示平台,次要的研究是实现现场计算机对九站柔性制造生产线各机构工作状态的监控.因此对底层各机构工作状态采集的数据量少,考虑到这一点,学校还可以采用单纯的“多点通讯结构”,如图2所示.
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在图1和图2中,通讯协议采用串行通讯,一是RS232通讯协议,另一种是RS485通讯,底层硬件在该生产线中使用了九台三菱公司的型号FX3U系列的PLC.为了实现与上位计算机的通讯,每个PLC配有一个专用于通讯的扩展模块FX3U-485BD,用于实现信息的转换和传递.由于PLC的通讯模块使用RS485通讯协议,而上位计算机用于通讯的串口使用的是RS232通讯协议,为了保障通讯的进行,必须实现通讯协议的转换,所以还附加使用了一个从RS485到RS232的协议转换模块.
二、九站柔性制造生产线人机交互结构设计
九站柔性制造生产线上位监控教学系统,除了要实时采集并控制生产线各站点工作状态外,更主要的功能是实现交互式教学.硬件方面,监控兼交互式教学用的电脑采用86寸触摸屏多媒体教学一体机电脑,同时为学生每人提供一台平板电脑,运用上位监控用FIX软件为学生设计人机界面,触摸屏一体机电脑和平板电脑利用无线局域网互联.
设计目的在于方便快捷直观地展示九站柔性生产线核心技术与技能操作要领,以图片、音频、视频、动画等学生喜闻乐见的形式作为人机交互界面,能够实时记录现场数据,确定工件的位置、加工装配质量等信息,并用不同颜色的组态鲜明地展现出来,为教师指导、学生自主探究式学习提供平台.人机交互界面的设计重点在于形象直观地展示九站柔性制造生产线的工作过程和运行状态,并且能够准确快捷地提取相关教学资源,激发学生的学习兴趣.人机交互界面的结构体系设计上采用了控件分级和分层的布置方式.分级是指把控件按功能划分成多个组,每一组按照逻辑关系细化成多个级别,用一级按钮控制二级按钮的弹出和隐藏,从而保证了界面的简洁.分层是把不同级别的按钮纵向展开在不同的区域,区域之间有明显的分界线,在使用某个按钮弹出下级按钮的同时对其他同级的按钮实现隐藏,使逻辑关系更清晰.
整个人机交互界面的设计重点在于如何展示生产线运行状态和教学资源,如图3所示.
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三、九站柔性制造生产线教学媒体平台的结构设计
应用现代教学媒体可以充分调动学习者的参与积极性,使学习者与教学内容、教学环境之间进行有效的交互作用,促进学习者的认知过程,提高教学效果.
九站柔性生产线教学媒体平台在硬件上配备大触摸屏电脑用于教师教学、演示使用,以及平板电脑用于学生课上学习及师生的互动,软件上需支持无线网络,同时支持手机app功能,用于学生课下自主预习、复习.平台设计以学生为中心,基于“线上+线下一‘平台+课程”的教学新理念,通过课堂讲授、辅助学习和自主学习相结合,实现传统课堂教学与现代网络技术的融通运用,构建混合式教学新模式；可以实现教学互动功能、资源共享功能、模拟实操功能、移动学习功能,达到教师能够进行课程建设、教学监控、资源共享和学生能够自主学习的目的.
平台结构由网络教学管理功能平台与各种资源库组成,教学资源有：多媒体课件库、教学微视频库、动画图片库、仿真实训库、技能考核技能竞赛试题库、行业标准库、理论知识试卷库、文献资料库,网络教学管理功能平台可以链接调用所有教学资源,为教师和学生服务.为此,教师可以利用管理平台来备课、资源建设、课程教学、课题管理、课程制作以及用户管理、资源管理、系统管理；对学生而言,可以自主学习、合作学习、协作学习以及进行课程评价等.
由此,学生进入教室,就犹如进入到九站柔性制造生产线交互式教学环境中.在这里,由教师创设工业现场应用情景,激发学生的学习热情,学生就开启了探索知识之旅.学生可以在平板电脑上启动生产线,在人机界面上轻点“生产线运行状态”,就可以自由地获知各个站工作的状态；学生可以点开每个机构,获知机械装配过程,然后自己动手拆装,获知方式有文字说明、图片展示、动画展示以及实物操作微视频；学生可以获知各种传感器的知识,点击各站点相应位置的传感器图标,有关此传感器概念、类别、结构性能、工作原理以及传感器的调整方法等知识点便呈现出来,接着可以自己现场动手调整参数.学生可以获取控制器的知识、各种驱动的知识等等,大大方便了学生的自主学习.
四、小结
本论文旨在设计一个高效的技术展示平台,同时它也是一种全新的教学模式.该技术展示平台方便快捷展示九站柔性生产线核心技术与技能操作要领,让传统的老师教、学生学,转变为教师指导并激发学生探索知识的热情、学生自主探究式学习,学生通过生产线交互界面充分获得知识,学习兴趣大增,在职业技能教学实践中取得良好的教学效果,非常值得借鉴推广.
（作者单位：济南市技师学院）
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