項(xiàng)目教學(xué)法在可編程控制器教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

李躍華

（深圳技師學(xué)院 廣東 深圳 518120）

項(xiàng)目教學(xué)法在可編程控制器教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

李躍華

（深圳技師學(xué)院 廣東 深圳 518120）

項(xiàng)目教學(xué)法的特點(diǎn)是把整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程分解為一個(gè)個(gè)具體的項(xiàng)目或事件，同時(shí)設(shè)計(jì)出一個(gè)個(gè)項(xiàng)目教學(xué)方案，不僅傳授給學(xué)生理論知識(shí)和操作技能，更將職業(yè)角色融入日常教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力。本文以三菱可編程控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）在教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐為例展開(kāi)論述，著重說(shuō)明了項(xiàng)目教學(xué)法在電氣控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用既可充分貫徹職業(yè)教育任務(wù)引領(lǐng)的項(xiàng)目課程改革的要求，也可化整為零，將實(shí)例中的硬件和軟件梳理后分為若干項(xiàng)目，描述了在課程改革實(shí)踐中收到的效果，為工業(yè)自動(dòng)化控制提供了教學(xué)實(shí)例。

項(xiàng)目教學(xué)法；可編程控制器；模擬電梯；集選控制；PG矢量控制

伴隨著技工院?！叭蝿?wù)引領(lǐng)的項(xiàng)目課程”改革進(jìn)程的不斷推進(jìn)，項(xiàng)目教學(xué)法引起了職教界空前的關(guān)注，近些年來(lái)更是得到大力推廣。項(xiàng)目教學(xué)法在傳統(tǒng)的電氣控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)中得到應(yīng)用，顯得尤為重要。為更好地適應(yīng)社會(huì)對(duì)技能人才之需求，我校電氣工程系與深圳雅鹿新技術(shù)公司共同開(kāi)發(fā)了四臺(tái)模擬電梯教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為控制核心，采用安川變頻器實(shí)現(xiàn)帶PG矢量控制驅(qū)動(dòng)。其控制方式是對(duì)外部呼叫信號(hào)以及轎內(nèi)指令信號(hào)進(jìn)行綜合處理后，采用順序控制結(jié)合邏輯控制規(guī)律運(yùn)行，可看成是一個(gè)人機(jī)交互式的集選控制系統(tǒng)。

項(xiàng)目教學(xué)法在硬件系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（一）硬件系統(tǒng)的分項(xiàng)目設(shè)計(jì)

該模擬梯為四層四站，主要由電梯井道裝置、控制柜、交流變頻門(mén)機(jī)組成。其中，井道高2.2m，1～4層每層高0.5m，頂層端站高0.7m，底坑深0.3m。曳引系統(tǒng)設(shè)置在模擬井道正上方。

圖1 電梯控制系統(tǒng)原理圖

該控制系統(tǒng)的硬件配置如圖l所示，其總體情況如下：FX2N－80MR型PLC為控制系統(tǒng)的核心，在具體教學(xué)實(shí)踐中，可根據(jù)需要，加裝串聯(lián)通訊模板，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)梯的并聯(lián)控制。這里以單臺(tái)模擬電梯的集選功能（自動(dòng)掌握停站時(shí)間、自動(dòng)應(yīng)答電梯轎廂內(nèi)指令及廳外召喚，是自動(dòng)化程度相對(duì)較高的控制方式）為控制目標(biāo)。（1）門(mén)鎖和安全保護(hù)回路是電梯重要的組成部分，關(guān)系到設(shè)備、乘客及維保人員的生命安全。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，門(mén)鎖回路主要由各層廳門(mén)門(mén)鎖驗(yàn)證開(kāi)關(guān)和轎門(mén)門(mén)鎖驗(yàn)證開(kāi)關(guān)以及并聯(lián)的2個(gè)繼電器組成。安全保護(hù)回路主要由電梯設(shè)備中的各個(gè)安全部件的驗(yàn)證開(kāi)關(guān)及并聯(lián)的2個(gè)繼電器組成。門(mén)鎖回路和安全保護(hù)回路將開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入到PLC，如果這兩個(gè)回路有故障，可保證電梯不能運(yùn)行。（2）轎廂通過(guò)隨行線纜把4個(gè)轎內(nèi)選層按鈕信號(hào)和開(kāi)關(guān)門(mén)按鈕控制信號(hào)以開(kāi)關(guān)量的形式輸入到主PLC。轎廂稱(chēng)重系統(tǒng)分為空載、滿載、超載三個(gè)類(lèi)別，它們也以開(kāi)關(guān)量信號(hào)的形式輸入到主PLC。轎廂平層信號(hào)由轎廂頂上的三個(gè)感應(yīng)器組成，用以完成電梯平層功能。電梯井道保護(hù)裝置主要由井道上下強(qiáng)迫換速、限位、極限開(kāi)關(guān)組成。其中，強(qiáng)迫換速和限位信號(hào)送到PLC輸入端，極限開(kāi)關(guān)串聯(lián)在安全回路中。（3）廳外召喚信號(hào)從4個(gè)層站把6個(gè)召喚信號(hào)傳輸?shù)街鱌LC，分別是1～3層樓上召按鈕信號(hào)和2～4層樓的下召按鈕信號(hào)。（4）變頻器與PLC采用雙向通訊，即PLC將曳引電動(dòng)機(jī)上、下行控制信號(hào)及多段速控制信號(hào)送至變頻器，變頻器通過(guò)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行為轎廂的位移控制；電動(dòng)機(jī)將位移量通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)傳遞給變頻器TA1端，再經(jīng)變頻器分頻后（一般設(shè)定分頻比為1∶1）送入PLC的高速計(jì)數(shù)端X0進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)PLC內(nèi)部程序獲取電梯層樓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)轎廂位置的閉環(huán)控制。（5）變頻門(mén)機(jī)為交流變頻門(mén)機(jī)。其特點(diǎn)是與主PLC之間的控制連接實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目模塊化，來(lái)自轎廂內(nèi)的開(kāi)關(guān)門(mén)信號(hào)或者來(lái)自廳外的本層開(kāi)門(mén)信號(hào)將開(kāi)關(guān)門(mén)指令輸入到PLC，PLC經(jīng)控制程序運(yùn)算后輸出為開(kāi)關(guān)門(mén)控制信號(hào)，對(duì)交流變頻門(mén)機(jī)進(jìn)行開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)控制。變頻門(mén)機(jī)只把檢測(cè)轎廂門(mén)狀態(tài)的開(kāi)門(mén)到位、關(guān)門(mén)到位兩個(gè)信號(hào)傳送到PLC輸入端，而像其他開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)減速、力矩保持等復(fù)雜控制均由變頻門(mén)機(jī)自身獨(dú)立完成。（6）模擬梯顯示部分采用LED發(fā)光管，共配置了轎內(nèi)與外召指令燈指示、轎廂運(yùn)行方向及樓層數(shù)位置顯示。為了體現(xiàn)模塊化的教學(xué)思路，將顯示也分類(lèi)并歸到相關(guān)的控制電路中。例如，轎內(nèi)指令按鈕顯示與轎內(nèi)指令登記、消除合并為一個(gè)模塊。

（二）硬件系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐中的分項(xiàng)目實(shí)施

教育心理學(xué)的認(rèn)知規(guī)律告訴我們，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中總是由淺到深地獲得知識(shí)和技能，因此，我們?cè)赑LC實(shí)踐教學(xué)中采用化整為零的方式，將硬件部分分解為8個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)和實(shí)訓(xùn)，明確硬件范圍，每個(gè)項(xiàng)目獨(dú)立設(shè)置硬件學(xué)習(xí)目標(biāo)，單獨(dú)進(jìn)行項(xiàng)目考核評(píng)估。當(dāng)學(xué)完8個(gè)硬件項(xiàng)目后，學(xué)生基本掌握了電梯的工作原理和結(jié)構(gòu)硬件，達(dá)到了項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)。采用這種分項(xiàng)目實(shí)施，化整為零漸進(jìn)式的教學(xué)方法，避免了過(guò)去教學(xué)中什么都講，什么都不精，“眉毛胡子一把抓”的現(xiàn)象。同時(shí)，分項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)施和評(píng)估也能對(duì)參與項(xiàng)目學(xué)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行及時(shí)的評(píng)估和檢查，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程的把握。

項(xiàng)目教學(xué)法在PLC編程方面的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）軟件系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在教學(xué)進(jìn)程中，當(dāng)學(xué)生初步掌握了電梯的硬件結(jié)構(gòu)后，接下來(lái)就是圍繞控制程序進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)了。以往的教學(xué)模式是把整個(gè)程序從前到后分段講授，授課過(guò)程中程序之間缺乏明顯的功能區(qū)分，且邏輯上前后交織，學(xué)生往往感到無(wú)從下手。筆者根據(jù)近年的教學(xué)體會(huì)認(rèn)為教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該真正起到主導(dǎo)作用，尤其要善于把知識(shí)技能歸納梳理，化繁為簡(jiǎn)傳授給學(xué)生。如何將復(fù)雜交織的程序部分簡(jiǎn)化呢？筆者根據(jù)項(xiàng)目教學(xué)法的設(shè)計(jì)思路，在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)繁復(fù)的高達(dá)近千步的PLC程序進(jìn)行分類(lèi)區(qū)別，提煉出各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目來(lái)實(shí)施。對(duì)于較為復(fù)雜的項(xiàng)目，可下設(shè)細(xì)化的各級(jí)子項(xiàng)目，分步實(shí)施。每一項(xiàng)目獨(dú)立完成一個(gè)既定的功能，各項(xiàng)目之間又相互呼應(yīng)，緊密聯(lián)系成為一體。圖2所示的程序流程圖是各個(gè)一項(xiàng)目級(jí)之間的關(guān)系。

一級(jí)項(xiàng)目的設(shè)計(jì) 根據(jù)電梯控制要求，可將電梯集選控制、檢修控制、消防控制這三類(lèi)控制方式設(shè)置為一級(jí)項(xiàng)目，其中，檢修控制優(yōu)先級(jí)最高，其次是消防控制，優(yōu)先級(jí)最低的為集選控制。從控制復(fù)雜度來(lái)說(shuō)，集選控制難度最大，消防次之，檢修控制難度則最低，這里重點(diǎn)以集選控制項(xiàng)目為例，展開(kāi)論述。

二級(jí)項(xiàng)目的設(shè)計(jì) 根據(jù)集選電梯工作流程，將不同的功能分為獨(dú)立的項(xiàng)目開(kāi)展實(shí)

施。項(xiàng)目之間緊密聯(lián)系，層層遞進(jìn)，各個(gè)項(xiàng)目也可看成是完成總體功能的“子項(xiàng)目”，前面的項(xiàng)目是完成后續(xù)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，但又相對(duì)獨(dú)立?，F(xiàn)對(duì)集選控制項(xiàng)目的分項(xiàng)目分別介紹如下：分項(xiàng)目一：電梯層樓位置獲取和顯示。該項(xiàng)目是整個(gè)集選控制程序最基礎(chǔ)的部分，基本思路是把變頻器送到PLC高速計(jì)數(shù)端X0的脈沖數(shù)進(jìn)行累計(jì) （設(shè)轎廂上行作加計(jì)數(shù)，下行作減計(jì)數(shù)），并根據(jù)當(dāng)前計(jì)數(shù)值，判斷轎廂位置，繼而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的層樓輔助繼電器，實(shí)現(xiàn)層樓位置的顯示。分項(xiàng)目二：內(nèi)選登記、銷(xiāo)號(hào)及顯示。該模塊將內(nèi)選指令的登記、銷(xiāo)號(hào)與顯示采用一體化處理方式，起到了簡(jiǎn)潔直觀的效果。分項(xiàng)目三：外召登記、銷(xiāo)號(hào)及顯示模塊。該模塊在設(shè)計(jì)上與內(nèi)選模塊平行，體現(xiàn)了他們?cè)诳刂圃砩系钠降刃裕渚唧w的優(yōu)先級(jí)只能在其他程序模塊調(diào)用過(guò)程中才能體現(xiàn)。分項(xiàng)目四：邏輯定向模塊。在以往的教學(xué)中，該部分程序往往是學(xué)生較難理解和掌握的部分，整個(gè)程序邏輯互為交織，十分繁瑣。為此，筆者在教學(xué)實(shí)踐中，將廳外召喚信號(hào)和轎內(nèi)信號(hào)組合后形成選層模塊，直接供定向模塊調(diào)用，簡(jiǎn)化了程序，大大增加了可讀性，取得了十分滿意的教學(xué)效果。分項(xiàng)目五：開(kāi)關(guān)門(mén)控制模塊，如圖4所示。變頻門(mén)機(jī)開(kāi)關(guān)門(mén)控制模塊又可細(xì)分為開(kāi)門(mén)控制模塊和關(guān)門(mén)控制模塊（二級(jí)）；其中，開(kāi)門(mén)控制模塊又分為平層后自動(dòng)開(kāi)門(mén)、按開(kāi)門(mén)按鈕開(kāi)門(mén)、本層廳外開(kāi)門(mén)模塊（三級(jí)）；而本層廳外開(kāi)門(mén)模塊又可分為無(wú)向任意外召按鈕開(kāi)門(mén)、有向順向按鈕開(kāi)門(mén)模塊（四級(jí)）。如此一來(lái)該模塊的控制思路變得十分清晰，在教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣越來(lái)越濃，學(xué)習(xí)積極性明顯提高。分項(xiàng)目六：電梯拖動(dòng)運(yùn)行模塊。在電梯具備前述各模塊功能后，就涉及轎廂的運(yùn)行，該模塊的主要功能包括以下幾個(gè)控制階段：第一，啟動(dòng)。電梯定向完畢，門(mén)聯(lián)鎖閉合、安全回路正常，變頻器多段速指令1（多功能端子S5）、多段速指令2（多功能端子S6）同時(shí)接通，變頻器按照預(yù)先設(shè)定的曲線如圖5中OA段啟動(dòng)運(yùn)行，最高頻率設(shè)為30Hz（功能端子可根據(jù)用戶需要自行設(shè)定其功能）。第二，勻速運(yùn)行。啟動(dòng)完畢進(jìn)入勻速運(yùn)行，以30Hz頻率運(yùn)行，如圖5中AB段。第三，換速。當(dāng)電梯達(dá)到換速點(diǎn)（如圖5中B點(diǎn)），換速信號(hào)被觸發(fā)后，多段速指令2（多功能端子S6）斷開(kāi)，只有多段速指令1（S5）繼續(xù)接通，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)按照曲線BC段運(yùn)行，最后到達(dá)10Hz頻率慢速爬行CD段。第四，平層停車(chē)。當(dāng)轎廂慢速爬行至平層點(diǎn)D時(shí)，多段速指令1（多功能端子S5）斷開(kāi)，主電路曳引機(jī)電源斷開(kāi)，電磁制動(dòng)器合閘，電梯平層停車(chē)，轎廂按照DE段掣停。

圖5 電梯拖動(dòng)運(yùn)行速度曲線圖

圖2 一級(jí)項(xiàng)目的設(shè)置圖

圖3 二級(jí)項(xiàng)目（集選控制）設(shè)計(jì)圖

圖4 開(kāi)關(guān)門(mén)控制項(xiàng)目的二、三、四級(jí)分項(xiàng)目的設(shè)置圖

（二）軟件系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐中的分項(xiàng)目應(yīng)用

經(jīng)過(guò)近年的實(shí)踐教學(xué)，筆者認(rèn)為技工類(lèi)學(xué)校在突出技能訓(xùn)練的同時(shí)，也不能忽視學(xué)生興趣的培養(yǎng)。為此，筆者突破傳統(tǒng)的按部就班的教學(xué)模式，在實(shí)訓(xùn)一開(kāi)始就先編制一個(gè)點(diǎn)動(dòng)控制程序，使模擬梯先走起來(lái)。例如，電梯樓層的顯示模塊教學(xué)，轎廂如果先簡(jiǎn)單走起來(lái)，就可動(dòng)態(tài)交替顯示，從一開(kāi)始就將實(shí)訓(xùn)效果展示給學(xué)生，大大增強(qiáng)了課程的生動(dòng)直觀性，學(xué)生所學(xué)技能立刻得到校驗(yàn)，在實(shí)踐中極大激發(fā)了他們學(xué)習(xí)技能的興趣。在此簡(jiǎn)單的拖動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，可以完成電梯位置獲取和顯示，轎廂內(nèi)選信號(hào)登記、消除及顯示，廳外召喚信號(hào)登記、消除及顯示，綜合邏輯定向等任務(wù)。當(dāng)上述項(xiàng)目完成后，再來(lái)編制標(biāo)準(zhǔn)的拖動(dòng)程序。此時(shí)雖然復(fù)雜，但學(xué)生興趣濃厚且編程能力已達(dá)到一定水準(zhǔn)，在教師的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電梯的集選控制過(guò)程較為順利。這種以分項(xiàng)目教學(xué)思想為指導(dǎo)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為突破口，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的教學(xué)思路，在實(shí)踐教學(xué)中得到了學(xué)生的一致好評(píng)和學(xué)校督導(dǎo)組的表?yè)P(yáng)。

本系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，系統(tǒng)的各項(xiàng)控制均已達(dá)到要求，大大促進(jìn)了教學(xué)和社會(huì)化培訓(xùn)水平。同時(shí)，這套系統(tǒng)將來(lái)可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是“自動(dòng)控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)生動(dòng)案例。因此，該系統(tǒng)具有一定的推廣意義。

[1]馬慶發(fā).當(dāng)代職業(yè)教育新論[M].上海：上海教育出版社，2002.

[2]徐國(guó)慶，石偉平.21世紀(jì)世界職業(yè)技術(shù)教育發(fā)展的課題與展望[J].外國(guó)教育資料，2000，（6）.

[3]張漢杰，等.現(xiàn)代電梯控制技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996.

□有話職說(shuō)

裝飾對(duì)于德行也同樣是格格不入的，因?yàn)榈滦惺庆`魂的力量和生氣。

——盧梭

G712

A

1672-5727（2011）05-0099-02

李躍華（1976—），男，內(nèi)蒙古錫林郭勒人，深圳技師學(xué)院講師，研究方向?yàn)殡姽る娮蛹拔飿I(yè)機(jī)電。