“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程教學(xué)改革

朱曉東，王 杰

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

可編程序控制器(PLC)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)。在實(shí)際當(dāng)中，采用PLC的控制系統(tǒng)其設(shè)計(jì)往往會(huì)涉及到電機(jī)、繼電器、PLC、變頻器、伺服控制以及通訊、控制理論和組態(tài)軟件等多個(gè)方面。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

“電氣控制與PLC應(yīng)用”作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)課程，存在以下問題。

(1)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，無法滿足學(xué)生單獨(dú)實(shí)驗(yàn)的要求;

(2)在實(shí)際中PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往需要綜合多方面知識(shí)，如電路圖繪制、元件選型、程序設(shè)計(jì)、變頻器與伺服電機(jī)控制和組態(tài)設(shè)計(jì)等。如何綜合這些內(nèi)容進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)，仍然是該課程教學(xué)研究的重點(diǎn);

(3)目前實(shí)驗(yàn)裝置大都采用插線式，學(xué)生自主動(dòng)手機(jī)會(huì)小。這樣的實(shí)驗(yàn)裝置雖簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，但學(xué)生無法得到實(shí)際工程方面的訓(xùn)練。

這些情況嚴(yán)重制約了學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，學(xué)生學(xué)完課程后對(duì)于PLC的應(yīng)用依舊茫然，不清楚如何著手進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為完善這門課程的教學(xué)，很多教師進(jìn)行了各方面的探索［1，2］。對(duì)此，筆者也利用項(xiàng)目教學(xué)法探索適合本課程的開放式教學(xué)方法。

2 項(xiàng)目式教學(xué)方法

項(xiàng)目教學(xué)法的指導(dǎo)思想是將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的工程項(xiàng)目交予學(xué)生完成，即從信息收集、方案設(shè)計(jì)與實(shí)施，到完成任務(wù)后的評(píng)價(jià)，都由學(xué)生獨(dú)立完成。教學(xué)過程中，教師只是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的引導(dǎo)者、指導(dǎo)者和監(jiān)督者［3］。項(xiàng)目教學(xué)法的突出特點(diǎn)就是要通過一個(gè)完整工程項(xiàng)目的實(shí)施，將課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)貫穿其中。

一個(gè)完整的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程通常包括以下幾個(gè)方面［4］:①深入了解被控對(duì)象的工藝條件和控制要求;②確定I/O設(shè)備，選擇PLC機(jī)型;③分配I/O點(diǎn)，繪制設(shè)備接線圖;④設(shè)計(jì)應(yīng)用程序;⑤設(shè)計(jì)控制平臺(tái)和電氣柜;⑥進(jìn)行軟件測(cè)試及系統(tǒng)整體調(diào)試;⑦系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試;⑧編程技術(shù)文檔。

在這一設(shè)計(jì)過程中，僅有部分是“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程所講授的內(nèi)容，其他未講授的內(nèi)容恰恰是該課程在實(shí)際應(yīng)用中所需的。因此，筆者在進(jìn)行教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)不再局限于“電氣控制與PLC應(yīng)用”這一門課程的知識(shí)，而是將實(shí)際工程項(xiàng)目涉及的內(nèi)容都融合在教學(xué)項(xiàng)目中。這樣可以提高教學(xué)的實(shí)踐性、開放性和先進(jìn)性，讓課程與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合，教學(xué)過程即是一個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程。

3 教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

教學(xué)項(xiàng)目以一個(gè)生產(chǎn)線的局部控制為例，該生產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線平面示意圖

圖中標(biāo)示為A的帶狀線段表示相連的四條傳送帶，分別由兩個(gè)電機(jī)M2和M3控制。上部方框表示裝盒機(jī)構(gòu)，即把物料裝入傳送帶上的料盒中。F為裝盒機(jī)構(gòu)的示意圖，立面圖如圖2所示。工藝過程為:空盒由傳送帶傳送至裝盒機(jī)構(gòu)，C和D分別為阻擋空盒運(yùn)行的阻擋氣缸，E和B為檢測(cè)空盒數(shù)量的光電開關(guān)，每通過6個(gè)空盒，氣缸C阻擋后續(xù)空盒送入，同時(shí)氣缸D放行，6個(gè)空盒進(jìn)入裝盒機(jī)構(gòu)。在裝盒期間，氣缸D阻擋，氣缸C放行，以便下一次再放行6個(gè)空盒。

圖2 生產(chǎn)線機(jī)構(gòu)立面圖

圖2所示的裝盒機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)帶動(dòng)空盒進(jìn)行三個(gè)不同工位的處理，這三個(gè)工位分別是整理氣缸、物料入盒及整理氣缸2?？蘸械竭_(dá)整理氣缸時(shí)，其主氣缸下落，分氣缸動(dòng)作，對(duì)空盒進(jìn)行位置整理并送至下一工位;在物料入盒工位將物料裝入空盒中;在整理氣缸2工位，主氣缸下落，三個(gè)分氣缸分別進(jìn)行盒中物料橫向、縱向整理以及物料壓實(shí)操作。然后裝有物料的盒子進(jìn)入下一工序。

通過這一簡(jiǎn)單的生產(chǎn)機(jī)構(gòu)，要求學(xué)生按照給出的設(shè)備數(shù)據(jù)和控制要求進(jìn)行項(xiàng)目的完整設(shè)計(jì)，即要求完成從電氣設(shè)備的選擇、電氣原理圖、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)連接和模擬調(diào)試等設(shè)計(jì)的全過程。其知識(shí)涉及到AutoCAD軟件、低壓電器、檢測(cè)元件、變頻器、伺服電機(jī)、電磁閥、PLC、HMI、模擬量變送器、電機(jī)和組態(tài)軟件等，涵蓋了“控制理論”、“工程制圖”、“PLC設(shè)計(jì)”、“電路”和“計(jì)算機(jī)控制”等課程內(nèi)容。通過這一項(xiàng)目式教學(xué)，使得學(xué)生能夠初步掌握PLC控制系統(tǒng)的基本過程和方法。

4 教學(xué)任務(wù)分解

根據(jù)項(xiàng)目的開發(fā)過程，將教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)內(nèi)容按照項(xiàng)目開發(fā)過程進(jìn)行逐項(xiàng)分解，具體劃分為:①了解對(duì)象的控制要求;②電氣設(shè)備選型;③硬件設(shè)計(jì);④軟件編程;⑤設(shè)備調(diào)試;⑥系統(tǒng)聯(lián)調(diào);⑦設(shè)計(jì)文檔和撰寫操作說明書。

我們?yōu)槊恳粋€(gè)教學(xué)任務(wù)都詳細(xì)列出具體要求和方法、考核的知識(shí)點(diǎn)以及評(píng)價(jià)方式，使學(xué)生能夠清晰地了解到所做工作的意義，促使學(xué)生按照工程設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行學(xué)習(xí)。

5 教學(xué)措施

為保證項(xiàng)目教學(xué)的有效進(jìn)行，筆者在教學(xué)中采取了以下方法和措施。

(1)根據(jù)學(xué)生選課人數(shù)的多少，由3-5人組成項(xiàng)目小組共同完成各階段的任務(wù)，落實(shí)每個(gè)人完成的具體內(nèi)容，以便評(píng)價(jià);

(2)教師利用幾個(gè)課時(shí)講解“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容;

(3)教師給出詳細(xì)的項(xiàng)目工藝過程、設(shè)備參數(shù)和工藝要求文檔;

(4)在每一個(gè)設(shè)計(jì)階段開始前，教師首先介紹相關(guān)的知識(shí)和設(shè)計(jì)方法;

(5)設(shè)計(jì)中不限制設(shè)備，學(xué)生根據(jù)控制要求自行選擇硬件和軟件;

(6)教師利用課堂、答疑時(shí)間以及郵件、手機(jī)等方式及時(shí)解答學(xué)生遇到的具體問題，保證學(xué)生能夠順利進(jìn)行每一階段的設(shè)計(jì)工作;

(7)每一階段結(jié)束，我們都要求學(xué)生提交完整的設(shè)計(jì)資料以及設(shè)計(jì)過程的總結(jié)報(bào)告，作為課程成績(jī)的考核依據(jù);

(8)限于實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)于項(xiàng)目式教學(xué)過程中一些無法實(shí)踐操作的環(huán)節(jié)，筆者利用仿真軟件、圖片、錄像以及學(xué)生到廠實(shí)習(xí)等不同手段，盡可能地使學(xué)生了解實(shí)際的設(shè)備運(yùn)行和系統(tǒng)調(diào)試過程。

［1］ 苗紅霞，齊本勝.PLC控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究與實(shí)踐［J］.北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010(3):136-139

［2］ 束長(zhǎng)寶，李新兵，王永華，“電氣控制及可編程控制器”教學(xué)改革初探［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005(6):第82-85頁

［3］ 鄧鐵軍，陳穎，賀志軍.基于PMBOK原理的“項(xiàng)目式”教學(xué)法研究［J］.武漢:高等工程教育研究，2010(1):159-163

［4］ 陳建明主編.電氣控制與PLC應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008