基于虛擬操作的電工實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張工化

摘要:本文介紹一種基于虛擬操作的電工實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過(guò)系統(tǒng)集成的軟件和硬件,模擬多種電工實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備,并以虛擬操作環(huán)境為平臺(tái),建立完整的電工虛擬操作實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),改

進(jìn)教學(xué)模式,提高設(shè)備利用率和教學(xué)的效果,克服目前實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的不足。

關(guān)鍵詞:FLASH;電工實(shí)驗(yàn)柜;仿真虛擬實(shí)訓(xùn)

1引言

電工基礎(chǔ)是目前教學(xué)中一門(mén)重要基礎(chǔ)課,電類(lèi)專(zhuān)業(yè)均會(huì)開(kāi)設(shè)相關(guān)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,同時(shí)繼電控制系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)也會(huì)放

在實(shí)驗(yàn)柜上進(jìn)行。電工實(shí)驗(yàn)柜接線(xiàn)端子數(shù)量多,開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)功能組件豐富,并配有多種交流儀表。在電工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,可以完成一般供電線(xiàn)路的連接,也能完成復(fù)雜電路連接安裝。由于提供了多種繼電器、控制開(kāi)關(guān)等電器,還可以完成“工廠(chǎng)電氣控制” “電機(jī)與拖動(dòng)”等課程操作實(shí)訓(xùn)及維修電工技能考核。

實(shí)驗(yàn)柜采用380V或220V交流供電,學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作自由度高,雖然有保險(xiǎn)和開(kāi)關(guān)連鎖保護(hù),但在安裝接線(xiàn)過(guò)程中不免產(chǎn)生短路故障造成儀表?yè)p壞,涉及人身也存在一定的非安全因素。對(duì)于復(fù)雜控制電路實(shí)訓(xùn),若在連線(xiàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,往往推倒重來(lái)。學(xué)生單位時(shí)間內(nèi)占用實(shí)驗(yàn)柜的時(shí)間延長(zhǎng)。使設(shè)備使用效率降低。影響教學(xué)效果。

2電工實(shí)訓(xùn)虛擬操作系統(tǒng)環(huán)節(jié)描述

針對(duì)實(shí)際中出現(xiàn)的上述問(wèn)題,可建立軟硬件一體化完整的實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練系統(tǒng),克服實(shí)際中存在的基本問(wèn)題。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是,將實(shí)訓(xùn)課堂的講解過(guò)程,設(shè)計(jì)連線(xiàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行壓縮,并盡可能在模擬平臺(tái)上完成安全性,連通性的基本測(cè)試。而在實(shí)訓(xùn)室內(nèi),盡可能將實(shí)訓(xùn)時(shí)間留給學(xué)生實(shí)際安裝與檢測(cè),現(xiàn)象觀(guān)測(cè)及方案對(duì)比等環(huán)節(jié),提高實(shí)訓(xùn)室的利用率,提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)水平。為保證以上設(shè)計(jì)思路,實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)置如下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)書(shū)基本依靠文字和電路圖講解實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程。此種方法適合原理講解但介紹實(shí)驗(yàn)過(guò)程部分時(shí),缺乏直觀(guān)展示,學(xué)生學(xué)習(xí)難度相對(duì)較大。如果要保證課堂效率,學(xué)生需要提前預(yù)習(xí),但在脫離實(shí)驗(yàn)室實(shí)物環(huán)境下,獨(dú)立閱讀學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),對(duì)于操作步驟,實(shí)物連接的知識(shí)仍需進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后才能學(xué)會(huì)。另外由于缺乏指導(dǎo),平均學(xué)習(xí)效果不太理想。

目前各院校均建立有校園網(wǎng)系統(tǒng),如果將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)部分以動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面的形式移植到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,并加以多媒體化改進(jìn),便可大大提高學(xué)生預(yù)習(xí)效率,減少講解的工作量。網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)解決方案如下實(shí)施。教學(xué)文檔,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)應(yīng)電子化供學(xué)生自由瀏覽。電路圖,原理圖應(yīng)利用網(wǎng)頁(yè)技術(shù)配備文字或語(yǔ)音說(shuō)明,供學(xué)生瀏覽時(shí)使用。對(duì)于實(shí)訓(xùn)步驟及實(shí)驗(yàn)環(huán)境,應(yīng)提供多媒體展示。把實(shí)驗(yàn)操作步驟提到的元件,儀表以現(xiàn)場(chǎng)元件圖片形式展現(xiàn)出來(lái),減少學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)從書(shū)本到實(shí)物的轉(zhuǎn)換時(shí)間。另外結(jié)合視頻以及多媒體動(dòng)態(tài)演示,將實(shí)訓(xùn)步驟動(dòng)態(tài)的展示到學(xué)生面前這樣學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)中需要用到的元件,操作動(dòng)作,操作順序甚至步驟背后對(duì)應(yīng)的原理都有極為清楚的認(rèn)知,當(dāng)轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)訓(xùn)時(shí),學(xué)生學(xué)習(xí)目的更加明確,對(duì)于怎么去做,為什么做,出現(xiàn)不同結(jié)果對(duì)應(yīng)的意義了然于胸,避免了學(xué)生學(xué)習(xí)中出現(xiàn)無(wú)法將實(shí)操與理論結(jié)合起來(lái)的盲點(diǎn)。

采用成熟的web技術(shù),利用互聯(lián)網(wǎng),任意終端均可訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。采用網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放式環(huán)境是為了便于學(xué)生自主學(xué)習(xí),學(xué)生可以自由選擇學(xué)習(xí)時(shí)間及學(xué)習(xí)內(nèi)容,學(xué)習(xí)手段也相對(duì)多樣。這樣提高了學(xué)生預(yù)習(xí)的效果,為后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)打下了良好的基礎(chǔ),教學(xué)效果得到顯著提高。

2.2虛擬操作實(shí)訓(xùn)

實(shí)訓(xùn)性訓(xùn)練的重點(diǎn)是實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練,而學(xué)生實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一就是如何將指導(dǎo)書(shū)的原理圖用實(shí)物連接準(zhǔn)確無(wú)誤的重現(xiàn)。雖然學(xué)生可能通過(guò)書(shū)本或是網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),已經(jīng)預(yù)習(xí)了實(shí)際操作步驟甚至觀(guān)看了視頻,但現(xiàn)場(chǎng)可能仍不能準(zhǔn)確完成操作環(huán)節(jié),出現(xiàn)錯(cuò)、漏、斷等常見(jiàn)故障。如果能在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上,讓學(xué)生按照自己的思路完成基本連接,再對(duì)其進(jìn)行審核,發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤即要求學(xué)生并加以更正。經(jīng)過(guò)這樣的訓(xùn)練后,學(xué)生上實(shí)物平臺(tái)操作時(shí),已經(jīng)掌握連接方法及正確的接線(xiàn)圖,解決了因連接錯(cuò)誤而引發(fā)人身及設(shè)備安全的難題。而且鑒于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的開(kāi)放性,每個(gè)學(xué)生都可以進(jìn)行充足訓(xùn)練,避免了實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生動(dòng)手訓(xùn)練不平均的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)虛擬操作平臺(tái)到實(shí)訓(xùn)環(huán)境的無(wú)縫連接。虛擬操作的界面應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)柜具有一致性。另外線(xiàn)路的排查由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,至少應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)短路,斷路,元件漏接等基本錯(cuò)誤的功能。本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)以上功能要求,采用FLASH平臺(tái),矢量動(dòng)畫(huà)技術(shù)。結(jié)合actionscript強(qiáng)大的編程能力,能自動(dòng)計(jì)算電路的通斷情況,并排查簡(jiǎn)要錯(cuò)誤。圖形界面的元件,接頭的分布采用與實(shí)際機(jī)柜一致,學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行交互完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的虛擬連線(xiàn)過(guò)程。連線(xiàn)完畢后,后臺(tái)的actionscript程序自動(dòng)分析電路,如發(fā)現(xiàn)短路,漏元件,斷路等簡(jiǎn)單錯(cuò)誤,即可直接顯示,提示學(xué)生修改。這樣學(xué)生可以反復(fù)虛擬連線(xiàn)過(guò)程,直至獲得較正確的連接圖。

與虛擬教學(xué)資源類(lèi)似,虛擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境也用成熟的web技術(shù)及矢量動(dòng)畫(huà)視頻,能方便嵌入各種網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面中。學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng),能自由的訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源并自由進(jìn)行虛擬連線(xiàn),直至正確完成這一過(guò)程。由于系統(tǒng)界面與圖形保持與現(xiàn)場(chǎng)一致,學(xué)生在虛擬連線(xiàn)中獲得的方案,連線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)都能較為容易的直接應(yīng)用到真實(shí)連接中。特別值得一提的是,虛擬連接突破了硬件的限制,給盡可能多的學(xué)生提供了貼近真實(shí)操作的體驗(yàn)。

2.3實(shí)際操作

完成前期訓(xùn)練后,學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,聽(tīng)取指導(dǎo)教師講解后,進(jìn)入實(shí)際操作環(huán)節(jié),由于前兩個(gè)階段學(xué)生已經(jīng)熟悉了設(shè)備的基本操作與實(shí)驗(yàn)流程并且已經(jīng)有較為可靠的連線(xiàn)方案,所以教學(xué)效率應(yīng)較之前為高,并且講解部分經(jīng)過(guò)壓縮,盡可能多的時(shí)間留給學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)鍛煉,提高能力。

2.4其他

實(shí)訓(xùn)環(huán)境中,如有可能,在實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練系統(tǒng)中加裝監(jiān)視系統(tǒng),便于指導(dǎo)教師控制整個(gè)教室數(shù)十臺(tái)機(jī)位?；蛟跈C(jī)柜上方設(shè)置簡(jiǎn)易LED顯示,指視設(shè)備工作狀態(tài),便于教師進(jìn)行課堂管理。除了硬件系統(tǒng)外,日常管理等軟措施也應(yīng)跟上,以保證的教學(xué)正常有序進(jìn)行。

3系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵技術(shù)

Flash是美國(guó)Macromedia公司(現(xiàn)為adobe公司收購(gòu))所設(shè)計(jì)的一種二維動(dòng)畫(huà)軟件。通常包括Macromedia Flash,用于設(shè)計(jì)和編輯Flash文檔,以及Macromedia Flash Player,用于播放Flash文檔。由于軟件采用可移植到多平臺(tái),所以便于嵌入到多系統(tǒng)中。由于FLASH動(dòng)畫(huà)格式*.swf為多種操作系統(tǒng)及瀏覽器支持,且具有放大不失真,視頻文件體積小等優(yōu)點(diǎn),所以目前廣泛應(yīng)用各種網(wǎng)絡(luò)視頻中。雖然FLASH不斷更新?lián)Q代,功能逐漸強(qiáng)大,除了最基本的動(dòng)畫(huà)及視頻播放以外,還能提供增強(qiáng)的Actionscript動(dòng)態(tài)編程以及強(qiáng)大的交互界面,并可以訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫(kù)。所以比較適合基于圖形的虛擬實(shí)驗(yàn)連接使用。其中而增強(qiáng)的Actionscript提供與高級(jí)編程語(yǔ)言類(lèi)似的編程環(huán)境及功能,適合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電路檢測(cè)等復(fù)雜應(yīng)用環(huán)節(jié),而豐富的動(dòng)畫(huà)及多媒體特性適合線(xiàn)路連接的演示及虛擬教學(xué)過(guò)程。

虛擬連線(xiàn)的實(shí)現(xiàn),由于要在FLASH中實(shí)現(xiàn)虛擬連線(xiàn),可以在A(yíng)ctionscript中建立虛擬數(shù)據(jù)以模擬電路實(shí)驗(yàn)柜。實(shí)驗(yàn)柜的元件設(shè)置基本固定,如開(kāi)關(guān),燈泡,功率表,交流電壓電流表,保險(xiǎn)等?？梢詫?duì)該類(lèi)元件定義為pro1至proN;元件屬性定義為端口屬N,以及流入流出口pointout1,pointin1等;通過(guò)Actionscript編寫(xiě)操作函數(shù)以模擬連接及完成虛擬檢測(cè)。交互界面通過(guò)將原件的兩端設(shè)置為按鈕對(duì)象,利用On(release)響應(yīng)函數(shù)來(lái)完成連線(xiàn)的數(shù)據(jù)更改工作。

當(dāng)實(shí)現(xiàn)虛擬連線(xiàn)前,設(shè)元件X,Y原未連接,其流入proY的pointinM為空,流出proX的pointoutN為空。當(dāng)連線(xiàn)時(shí),在圖形界面上先點(diǎn)擊X輸出節(jié)點(diǎn)再點(diǎn)擊Y輸入節(jié)點(diǎn),則最后一個(gè)On(release)響應(yīng)函數(shù)將會(huì)改寫(xiě)流入proY的pointinM為pointoutN,流出proX的pointoutN為pointinM。這樣兩個(gè)元件就被連接至一起。如果有兩端元件一端不為空,則必定為漏接,即可由程序判定為漏接,若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)有導(dǎo)線(xiàn)連接,同時(shí)兩節(jié)點(diǎn)還跨接入多個(gè)元件的兩端,則跨接的元件被短路,由程序判定為短接。利用此種方法可以由程序自動(dòng)進(jìn)行電路判別,進(jìn)行簡(jiǎn)單查錯(cuò)。同時(shí)元件還可以設(shè)置電壓,電流限制,當(dāng)電路接入完畢之后,還能利用程序進(jìn)行簡(jiǎn)單的電壓電流估算,看是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓燒元件,過(guò)流燒保險(xiǎn)的情況發(fā)生,從而進(jìn)一步檢測(cè)電路連接的正確性。進(jìn)行檢測(cè)的算法還有很多,實(shí)際可根據(jù)要求,選擇合適的檢測(cè)方案,以完成動(dòng)態(tài)的顯示。如果實(shí)驗(yàn)較多,也可以將正確的接入方法以數(shù)據(jù)化的形式記錄至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中,再有FLASH經(jīng)XML加以訪(fǎng)問(wèn),供學(xué)生比對(duì)與學(xué)習(xí)。

綜上所述采用Flash作為虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能并可保證低開(kāi)發(fā)難度,較好的網(wǎng)絡(luò)支持能力及使用的開(kāi)放性,適合目前教育現(xiàn)狀。

4小結(jié)

本系統(tǒng)軟硬件結(jié)合程度高,實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較低。硬件采用TEPMZ-1實(shí)驗(yàn)柜,計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)采用P4及以上機(jī)型,支持網(wǎng)絡(luò)連接。軟件環(huán)境采用WINXP操作系統(tǒng),IE6.0及以上版本,具備基本多媒體顯示能力即可。本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)能在目前教學(xué)條件下大幅度提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率,提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的利用率,降低實(shí)訓(xùn)風(fēng)險(xiǎn),提高安全性能,并保證每個(gè)學(xué)生都能獲得實(shí)訓(xùn)能力的提高。本系統(tǒng)也存在不足之處,虛擬連線(xiàn)功能單一,檢測(cè)算法相對(duì)較簡(jiǎn)單,軟硬一體化仍有改進(jìn)的空間,虛擬教學(xué)實(shí)操系統(tǒng)成熟度有限需要在實(shí)訓(xùn)環(huán)境中進(jìn)一步檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):

[1]唐汝元,唐春霞,王紅梅.網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).裝備制造技術(shù).

[2]趙瑾.PLC教學(xué)中組態(tài)仿真技術(shù)的應(yīng)用.湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) .

[3]尹子民,孫輝,魏穎輝.情景模擬教學(xué)法的初探.遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版).

[4]李利花, 李遲生.淺析單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù).中國(guó)科技信息,2009(13).