模塊化編程在機(jī)電一體化技能競賽中的應(yīng)用實(shí)踐研究

單俠芹

摘要：編程能力作為機(jī)電一體化技能競賽的核心能力，提高編程能力，對提高競賽獲勝率具有至關(guān)重要的作用。模塊化程序設(shè)計(jì)思想可以使程序結(jié)構(gòu)更加整潔清晰，利于系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)和升級。在機(jī)電一體化技能競賽中采用模塊化編程，能夠保障程序的穩(wěn)定性，降低調(diào)試難度，提高競爭力。

關(guān)鍵詞：模塊化，編程方法，機(jī)電一體化，技能競賽

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9094-（2017）06C-0017-04

一、模塊化編程在機(jī)電一體化技能競賽中的可行性分析

職業(yè)技能競賽是職業(yè)教育的風(fēng)向標(biāo)，對職業(yè)教育具有引領(lǐng)和示范作用，機(jī)電一體化技能競賽為自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)指明了方向，為學(xué)校專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供了寶貴的素材。機(jī)電一體化技能競賽從2007年舉辦至今已有非常成熟的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，形成了完整的競賽制度，也為職業(yè)教育積累了很多專業(yè)和經(jīng)驗(yàn)知識，通過競賽成果的轉(zhuǎn)換，競賽的資源能夠有效運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)中，為提高職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量添磚加瓦。同時，競賽成績也是職業(yè)學(xué)校教學(xué)水平的體現(xiàn)，那么如何在競賽中獲得理想成績，是教練和選手們最為關(guān)注的問題，這取決于訓(xùn)練的方法和訓(xùn)練的內(nèi)容是否與時俱進(jìn)、是否足夠扎實(shí)。在機(jī)電一體化技能競賽中，PLC編程和臨場解決問題的能力是制勝的關(guān)鍵，這將關(guān)系到選手們能否在規(guī)定時間順利完成比賽。因此，探尋一個高效的編程方法成為師生共同的目標(biāo)，能夠大大縮減編程設(shè)計(jì)時間、保障程序設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可移植性，通過賽前的強(qiáng)化訓(xùn)練，熟練掌握各種技巧，在競賽時能夠大大提高選手競賽信心。

PLC的編程方法有很多，常見的有面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法和面向?qū)ο蠓椒?，二者各有?yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)用要根據(jù)設(shè)備情況和賽題要求，選擇合適的編程方法。這里我們介紹一種子功能模塊的編程方法，它能有效提高競賽的水平。

（一）模塊化程序設(shè)計(jì)思想

模塊化程序設(shè)計(jì)，簡單地說就是用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系，最終得到一系列以功能塊為單位的程序。模塊是提供特定功能的相對獨(dú)立的單元，把這種以功能塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的方法稱為模塊化，它由小塊的、分散的代碼塊組成，每一塊都是獨(dú)立的。模塊化的目的是為了降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化，在高級語言程序設(shè)計(jì)中有著廣泛運(yùn)用。

模塊化編程操作簡單、應(yīng)用方便、相互獨(dú)立、互不干涉，任何一個功能拿出來都能獨(dú)立運(yùn)行。因此，模塊化編程具有以下特點(diǎn)：（1）標(biāo)準(zhǔn)化：標(biāo)準(zhǔn)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)接口；（2）可組合：多個模塊可以方便靈活地組合；（3）可替換：改變系統(tǒng)的局部功能；（4）可維護(hù)：對模塊進(jìn)行局部修改或設(shè)置。

（二）模塊化編程思想在PLC程序設(shè)計(jì)中的運(yùn)用特性分析

在PLC程序設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)備的功能特性考慮是否可以采用模塊化編程方法，根據(jù)模塊化編程特性，那么什么情況運(yùn)行效果較為明顯呢？

當(dāng)一臺需要程序設(shè)計(jì)的設(shè)備動作有明顯分組，且需重復(fù)運(yùn)行的情況下，我們可以將這些動作進(jìn)行分組，每組動作看作一個小功能模塊，這種情況下可以在PLC編程中引入模塊化編程思想，通過對子模塊的組合和調(diào)用，使程序結(jié)構(gòu)清晰，增強(qiáng)易讀性，便于修改，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

模塊不能隨意劃分，分解時應(yīng)盡量保持模塊之間的獨(dú)立性，模塊的獨(dú)立性可以用兩個定性標(biāo)度衡量，即耦合和內(nèi)聚，模塊之間盡量小的耦合性，模塊內(nèi)部具有高度的內(nèi)聚性，要保證模塊充分的獨(dú)立性，就需要低耦合和高內(nèi)聚。

（三）機(jī)電一體化技能競賽編程特性分析

技能競賽反映了企業(yè)的新工藝、新知識和新方法，要求選手對已有知識具有熟練運(yùn)用和一定創(chuàng)新能力，這就要求平時的訓(xùn)練認(rèn)真分析競賽特性，找出其共有特性，形成自己的編程策略，設(shè)計(jì)的程序便于添加和刪減內(nèi)容，才能在競賽過程中以不變應(yīng)萬變。

機(jī)電一體化技能競賽賽題特點(diǎn)：

（1）控制要求多、靈活多變；

（2）PLC程序量大、功能復(fù)雜；

（3）調(diào)試難度大、容易混亂；

（4）程序穩(wěn)定性要高；

（5）編程調(diào)試時間緊張。

通過什么方法將復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備功能快速設(shè)計(jì)并調(diào)試成功呢？這就要求在訓(xùn)練過程中，優(yōu)化編程思路，找到合適的編程和調(diào)試方法。鑒于模塊化編程和競賽賽題特點(diǎn)，我們可以在機(jī)電一體化競賽中采用模塊化編程來優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)、節(jié)約編程調(diào)試時間，提高競賽獲勝幾率。采用模塊化編程后，程序思路如下圖所示。

二、模塊化編程在機(jī)電一體化技能競賽中的運(yùn)用

不是所有地方都需要使用模塊化編程，在程序設(shè)計(jì)中對復(fù)雜工作單元可以采用模塊化的編程思想，且能切實(shí)提高編程和調(diào)試效率。

（一）模塊化設(shè)計(jì)思路

模塊化編程，首先需要對將要設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行分析，如若可行，則進(jìn)行模塊化分解，每個子模塊都有自己特定的功能，當(dāng)需要此功能時，在所需要的位置進(jìn)行調(diào)用。其次，為每個子模塊分配一定數(shù)量的軟元件，包括位軟元件、數(shù)據(jù)寄存器、定時器和計(jì)數(shù)器等，軟元件分配應(yīng)遵循數(shù)量相同、互不沖突、使用策略相同的原則，數(shù)量分配以需求量最大的子模塊為準(zhǔn)，并留有一定余量。當(dāng)然，模塊之間以及輔助程序、主程序之間所用的軟元件應(yīng)相互獨(dú)立，不混用，以防相互之間發(fā)生碰撞沖突，致使程序混亂，增加調(diào)試難度。

為使子模塊更具可讀性，我們將子模塊的格式統(tǒng)一化，即將分配好的軟元件進(jìn)行細(xì)化，包括分配子模塊的入口條件、過程標(biāo)志、完成標(biāo)志以及在子程序模塊執(zhí)行過程產(chǎn)生必要狀態(tài)標(biāo)志和過程信息等。子模塊的格式設(shè)計(jì)好后，根據(jù)各個子模塊的功能不同，編寫各自的功能程序，并進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試，最后將調(diào)試合格后的子模塊進(jìn)行封裝。

（二）模塊化編程在機(jī)電一體化競賽設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用

在競賽過程中要想取得好成績要以不變應(yīng)萬變，根據(jù)模塊化編程思想，首先分解設(shè)備功能、固化功能模塊；做好模塊程序、優(yōu)化程序框架；分模塊調(diào)試、節(jié)省精力、主攻主程序，做到在重復(fù)中求穩(wěn)定。

1.子功能模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試

模塊化編程在PLC編程中實(shí)際使用時，首先根據(jù)功能是否復(fù)雜討論是否運(yùn)用模塊化編程。這里筆者以競賽設(shè)備的某個復(fù)雜單元為例，來分析子模塊設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行模塊化分解，根據(jù)功能分成一個個功能模塊，即：子模塊一、子模塊二、子模塊三等。做好各個獨(dú)立模塊程序，并進(jìn)行模塊調(diào)試，一次調(diào)試好的模塊，后續(xù)可以一直使用，不需要再調(diào)試，這樣在競賽過程中可節(jié)省精力，把精力放在主程序的設(shè)計(jì)上，將賽題的變化變成順序的調(diào)整。

下表為子模塊分配方法，表中各軟元件數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)設(shè)計(jì)的子模塊的格式及其所使用地址，編寫子模塊的功能程序。

其中入口條件為入口位軟元件的常開軟觸點(diǎn)，同時傳遞過來的還有一些數(shù)據(jù)量，供子模塊使用，當(dāng)入口條件成立后，置過程標(biāo)志和初始狀態(tài)寄存器（采用步進(jìn)順控指令協(xié)助完成），即進(jìn)入子模塊程序執(zhí)行階段，過程標(biāo)志有效，直到子模塊程序執(zhí)行完成為止。

結(jié)束后生成完成標(biāo)志位，并輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)量，供程序其他部分使用。當(dāng)主程序檢測到完成子模塊的完成標(biāo)志位（M）的常開軟觸點(diǎn)接通，表示本次子模塊功能執(zhí)行完成，為使完成標(biāo)志保持足夠長的時間，這里采用定時器延時一定時間的方法，時間到，清楚所有標(biāo)志位和最后一個狀態(tài)寄存器（S）。

注意在采用步進(jìn)順控指令編程時，模塊中最后清除操作全部完成后，必須有步進(jìn)返回指令，這樣一個完整的功能模塊程序就設(shè)計(jì)完成了。

最后，將編寫好的功能程序進(jìn)行調(diào)試。所有模塊可以獨(dú)立調(diào)試，確保獨(dú)立過程執(zhí)行正確、穩(wěn)定。調(diào)試完成后，保存并固化各功能模塊的內(nèi)容，在程序整體調(diào)試時，不改變子模塊內(nèi)容。

2.子功能模塊的調(diào)用與總調(diào)試

在競賽過程中，選手要根據(jù)任務(wù)書的要求，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，由于設(shè)備整體沒有大的改動，所有一些動作流程是固定不變的，在前期訓(xùn)練過程中，已經(jīng)讓選手們將這些固定動作流程設(shè)計(jì)成一些獨(dú)立小模塊，每個模塊代表一個動作組合，比如抓取工件的動作子模塊、輸送工件的動作子模塊。在競賽過程中，這些固定的功能子模塊選手可以很熟練的編寫出來，甚至不需要調(diào)試，為選手節(jié)省足夠的時間設(shè)計(jì)和調(diào)試任務(wù)書中的新內(nèi)容，這些新內(nèi)容往往才是體現(xiàn)選手實(shí)力的地方，也是變化多樣的，有一定難度的。在調(diào)用、組合現(xiàn)有的子程序模塊時，要遵循一定原則，使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，降低調(diào)試難度，便于添加新內(nèi)容。

調(diào)用各功能模塊時，需要給定對應(yīng)模塊的入口條件，條件滿足則去執(zhí)行子功能模塊程序，主程序等待，待模塊程序執(zhí)行完畢，主程序接收到完成信號標(biāo)志，則繼續(xù)往下執(zhí)行。

純功能調(diào)用只需要位地址入口條件，當(dāng)需要數(shù)據(jù)量傳遞時，在調(diào)用的同時還需要將一定的數(shù)據(jù)量傳遞給子模塊的相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器備用。例如定位時，調(diào)用移動功能子模塊，就需要將目標(biāo)位置值和所需要的速度等信息同時傳遞過去。

三、模塊化編程對機(jī)電一體化技能競賽的影響

在時間有限、氛圍緊張的競賽環(huán)境下，尋求在復(fù)雜的機(jī)電一體化技能競賽中不同的編程的調(diào)試方法對競賽結(jié)果影響巨大。采用模塊化編程具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）便于設(shè)計(jì)：復(fù)雜問題化成簡單問題；（2）便于實(shí)現(xiàn)：可以團(tuán)隊(duì)開發(fā)，分析清晰；（3）便于測試：各模塊可各自測試，整體調(diào)試時間大幅度減少；（4）便于維護(hù)：可以根據(jù)需要增加模塊；（5）可重用：一個模塊可參與組合不同程序。因此在機(jī)電一體化技能競賽中使用模塊化編程能夠滿足競賽的需求，可以縮減時間、增強(qiáng)信心等。

（一）縮減編程和調(diào)試時間

使用傳統(tǒng)的編程方法是按照要求按部就班地編寫下去，將調(diào)試留到最后，程序結(jié)構(gòu)混亂，沒有層次感，調(diào)試時往往根據(jù)要求逐一對照，效率低下。另外，同一功能每次編寫的程序往往也不同，每次都需要重新調(diào)試。使用模塊化編程以后，經(jīng)過一段時間練習(xí)，能夠保證同一功能編寫的程序也一樣，這樣經(jīng)過調(diào)試的子模塊就無需再調(diào)試，大大降低了調(diào)試時間。

（二）穩(wěn)定情緒，增強(qiáng)信心

競賽過程中，在競賽氛圍的影響下，選手內(nèi)心往往較緊張，再加上接觸新任務(wù)，不知從何下手。因此在訓(xùn)練過程中，采用模塊化編程，讓每次訓(xùn)練都是一次競賽，在編程過程中可以從簡單的固定功能模塊開始設(shè)計(jì)起，這些部分由于已經(jīng)非常成熟，選手可以邊編寫邊思考其他內(nèi)容，優(yōu)化了選手編程思路，同時起到情緒緩沖作用，化解緊張情緒，待到難點(diǎn)、新內(nèi)容時，可以充分發(fā)揮腦動力，增強(qiáng)選手獲勝的信心。

（三）有利于編程技巧的養(yǎng)成

PLC編程能力是機(jī)電一體化技能競賽的核心能力，編程的技巧和效率會直接影響比賽的成績，采用模塊化編程解放了大部分功能程序設(shè)計(jì)時間，給編程技巧的探索和養(yǎng)成提供了機(jī)會。在練習(xí)過程中，有傾向地更加注重技巧探索，注意怎么提高編程效率，如何用最穩(wěn)定、最少的編程語言實(shí)現(xiàn)同一功能，這在附加功能的設(shè)計(jì)方面尤為突出。

四、總結(jié)

模塊是提供特定功能的相對獨(dú)立的單元，引入模塊化編程思想之后，系統(tǒng)編程思路更加清晰，各功能模塊的編程與調(diào)試更簡單，把復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)變成了對模塊的組合和調(diào)用的過程，大大增強(qiáng)了程序的易讀性和靈活性。在技能競賽中，通常需要根據(jù)題目要求不斷增加新的功能，采用模塊化編程能夠確保程序不會混亂，方便增加新東西，不會對已完成的功能產(chǎn)生破壞，另外，由于時間緊張，采用模塊化編程，可以提前準(zhǔn)備很多東西，縮短選手調(diào)試時間，通過采用模塊化編程，選手在競賽中的成績也更加理想。

責(zé)任編輯：馮志軍

Abstract： Programming ability is the core ability of Mechatronics skills competition. Improving the programming ability plays a vital role in improving the winning rate of the competition. The modular programming idea can make the program structure neater and clearer， which is beneficial to the debugging， maintenance and upgrading of the system. In the Mechatronics skills competition， modular programming can guarantee the stability of the program， reduce the difficulty of debugging and improve the competitiveness.

Key words： modularization； programming method； Mechatronics； skills competition