基于ElecworksTM的理實一體化電工實訓(xùn)室的設(shè)計

劉 潤 李成哲 朱先勇 孫愛軍 曲曉海

吉林大學(xué)工程訓(xùn)練中心 吉林長春 130025

理工類專業(yè)的高等教育過程應(yīng)以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向，以生產(chǎn)實踐教學(xué)為培養(yǎng)手段，以提高實踐能力為培養(yǎng)目標(biāo)，為電子、電氣、機械等制造業(yè)培養(yǎng)有工程素養(yǎng)、有實踐技能的一線優(yōu)秀操作與指導(dǎo)人員。工程訓(xùn)練是工科學(xué)生在高等教育階段最重要的實踐環(huán)節(jié)，在應(yīng)用型復(fù)合人才培養(yǎng)過程中具有不可替代的位置。電工實訓(xùn)是現(xiàn)代工程訓(xùn)練中不可或缺的實踐性教學(xué)模塊，是對學(xué)生進行電氣專業(yè)培訓(xùn)的重要過程，是工科專業(yè)本科教學(xué)中對學(xué)生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，其教學(xué)成果直接影響高等教育的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)水平。

目前國內(nèi)部分高校因經(jīng)費短缺、重視程度不夠等原因，造成電工實訓(xùn)環(huán)節(jié)的投入不足。特別是在一些重點院校，大量的教育經(jīng)費被分配到實驗室等教學(xué)環(huán)節(jié)，而對于與生產(chǎn)實際緊密聯(lián)系的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)投入明顯不足。導(dǎo)致電工實訓(xùn)設(shè)備的更新跟不上社會先進生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的需要，教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實際嚴(yán)重脫節(jié)。

為了解決上述問題，筆者提出了基于ElecworksTM的理實一體化電工實訓(xùn)室的設(shè)計，以安裝ElecworksTM軟件的計算機為實驗設(shè)備，改善當(dāng)前傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)模式，對實訓(xùn)教學(xué)方案進行了創(chuàng)新性改進。建設(shè)理實一體化的電工實訓(xùn)室可以給學(xué)生提供仿真的實訓(xùn)環(huán)境，學(xué)生可以將機電一體化工程中的理論與實際相結(jié)合，盡快掌握電氣設(shè)計中設(shè)計安裝、布線等各項實用技能，實現(xiàn)課堂教學(xué)與工程實際的“無縫連接”。

1 ElecworksTM軟件介紹

ElecworksTM是一款高端電氣設(shè)計軟件，該軟件能夠幫助用戶改善信息化管理平臺，而且為用戶開發(fā)過程中提供標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)模式，有助于用戶在新產(chǎn)品開發(fā)階段減少成本，縮短新產(chǎn)品的上市周期。

ElecworksTM使用標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作界面，幫助用戶在更短的時間內(nèi)完成更出色的設(shè)計，幫助用戶在項目最初階段通過單線圖工具和元件管理功能。包含國際標(biāo)準(zhǔn)符號庫，幫助工程師快速高效地繪制圖紙。實現(xiàn)二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并完成布局。原理圖首次采用智能布線，根據(jù)原理接線信息，對于已經(jīng)完成的布局裝配體，可以實現(xiàn)自動布線。操作簡單，使用ElecworksTM設(shè)計時無需掌握任何特殊指令。首次采用智能工具菜單引導(dǎo)用戶設(shè)計，無論項目大小，允許多個設(shè)計師同時工作于同一項目。

實現(xiàn)機械和電氣的協(xié)同設(shè)計，允許在同一項目下的用戶進行協(xié)同設(shè)計，無論是一次圖、原理圖、設(shè)備管理或I/O表，還是3D電氣裝配環(huán)節(jié)，都可以有效地分享數(shù)據(jù)、協(xié)同設(shè)計。自動生成端子排、接線圖，交叉引用實時更新，自動編輯線號、PLC的I/O列表，實現(xiàn)3D電氣結(jié)構(gòu)、零件裝配、端子設(shè)計與電氣原理圖的同步設(shè)計。

ElecworksTM進入中國市場時間較晚，目前在國內(nèi)使用較少，僅部分行業(yè)龍頭企業(yè)在工程實現(xiàn)及部分高校在教學(xué)過程中使用。但其強大的電氣機械協(xié)同設(shè)計功能必將在電氣機械等設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

2 理實一體化電工實訓(xùn)室的建設(shè)方案

傳統(tǒng)的電工實訓(xùn)，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的過程大致由繪制電氣原理圖、設(shè)計安裝圖、器件選型、設(shè)計接線圖、安裝與接線、檢測、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等組成。由于受工具、材料和設(shè)備的限制，造成實訓(xùn)占用課時長、能完成的實訓(xùn)項目少以及實訓(xùn)完成率低等問題。

傳統(tǒng)的電工實踐教學(xué)并沒有專門針對電氣控制系統(tǒng)設(shè)計、機電一體化相關(guān)專業(yè)軟件等方面的教學(xué)內(nèi)容。理實一體化電工實訓(xùn)室的建設(shè)在以往教學(xué)模式基礎(chǔ)上進行改進，主要內(nèi)容有：

(1)對電工實訓(xùn)教學(xué)過程中常規(guī)教學(xué)內(nèi)容重新整理，對家庭模擬照明電路部分和三相電路控制系統(tǒng)部分的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進行修訂，選取工程及生產(chǎn)中較為普遍使用的照明電路、三相電機控制電路、PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)等現(xiàn)今工程上流行的相關(guān)內(nèi)容作為主要教學(xué)內(nèi)容。

(2)利用先期購買的ElecworksTM軟件對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容所需二維、三維電氣原理圖進行繪制。同時編寫、制訂相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)大綱、教案。

(3)引入教育版ElecworksTM軟件30套左右，并應(yīng)用到工程訓(xùn)練的電工實習(xí)部分中。

擬建設(shè)的理實一體化電工實訓(xùn)室平面圖如圖1所示。模擬布線設(shè)計區(qū)/理論學(xué)習(xí)區(qū)安裝30臺學(xué)生用計算機；電氣元件展示區(qū)放置工程上常用的電氣元器件展品或展板；實踐操作區(qū)擺放6組工作臺，每4～5名學(xué)生一個工作組，工作臺上根據(jù)不同的實訓(xùn)內(nèi)容擺放常用實訓(xùn)所需設(shè)備，進行常用器件認知，導(dǎo)線、工具使用等內(nèi)容的實訓(xùn)。輔以配套的實訓(xùn)設(shè)備及檢測工具、儀器。

圖1 理實一體化電工實訓(xùn)室平面圖

3 理實一體化電工實訓(xùn)室的教學(xué)內(nèi)容

最終建成的工程實訓(xùn)項目層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中綜合布線基本技能單項訓(xùn)練開展電工工具操作技能、機柜與配線架的安裝、管路穿線、模塊與配線架的端接、室內(nèi)布線線路等電工基本內(nèi)容；模擬布線項目訓(xùn)練開展二維、三維電氣原理圖設(shè)計教學(xué)內(nèi)容；施工現(xiàn)場布線工程項目訓(xùn)練開展由理論到實踐的機電一體化工程訓(xùn)練。

圖2 工程實訓(xùn)項目層次結(jié)構(gòu)

其中模擬布線項目訓(xùn)練教學(xué)過程的主要流程如圖3所示。學(xué)生在掌握了電氣設(shè)計基本知識、電氣元器件使用方法、ElecworksTM軟件使用方法后，根據(jù)實訓(xùn)指導(dǎo)教師的要求設(shè)計二維電氣原理圖，然后生成施工現(xiàn)場三維效果圖，最后在計算機上完成模擬施工現(xiàn)場布線操作，生成元器件清單等工作。

圖3 模擬布線項目訓(xùn)練教學(xué)過程

學(xué)生按照三維效果圖安裝電氣控制柜。電氣控制柜3D效果與實物對比如圖4和圖5所示。

圖4 電氣控制柜3D效果

圖5 電氣控制柜實物比對

4 理實一體化電工實訓(xùn)室的預(yù)期效果

理實一體化電工實訓(xùn)室的教學(xué)模式旨在使理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合。密切理論教師與實訓(xùn)教師的合作，相互學(xué)習(xí)，共同提高，培養(yǎng)一支高素質(zhì)的師資隊伍。將實踐教學(xué)同理論教學(xué)結(jié)合起來，讓學(xué)生直接參與到生產(chǎn)實踐中，使學(xué)生真正理解理論知識，掌握技術(shù)流程、技術(shù)規(guī)范等，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)、實踐及總結(jié)的過程中提高能力，達到事半功倍的教學(xué)效果。

理實一體化電工實訓(xùn)室成果應(yīng)用到工程訓(xùn)練中心電工教學(xué)模塊中，計劃開設(shè)4學(xué)時的實踐/實驗教學(xué)課程，每年可承擔(dān)5 000人次的教學(xué)任務(wù)。基于ElecworksTM的理實一體化電工實訓(xùn)室，不但可以大大降低工程訓(xùn)練中電工實習(xí)部分的教學(xué)成本，還可以增加實訓(xùn)內(nèi)容，擴充工程訓(xùn)練內(nèi)容，達到較好的教學(xué)效果。此外，所使用的ElecworksTM軟件目前居世界前沿水平，將其應(yīng)用到工程實訓(xùn)教學(xué)活動中，在國內(nèi)乃至國際同行業(yè)中尚不多見。

本設(shè)計成果可應(yīng)用于機械、汽車、材料、交通、管理、通信、電子、儀電、生物與農(nóng)業(yè)等學(xué)科本科生的工程實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)。此外，本設(shè)計成果也可用于高等教育本科生教學(xué)階段高年級學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)過程。應(yīng)用成功后，可考慮與軟件提供方合作，對本科生及研究生等開展專業(yè)軟件培訓(xùn)和認證，面向?qū)W校和社會電氣設(shè)計愛好者提供培訓(xùn)與認證工作，頒發(fā)相關(guān)證書，提升學(xué)校的社會影響力。

5 結(jié)束語

本文提出一種新的電工實訓(xùn)教學(xué)解決方案，提高了工程訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量。ElecworksTM是目前全球唯一一款2D～3D機電一體化設(shè)計軟件，在計算機平臺上利用該軟件，完成從2D電氣原理圖繪制到3D柜內(nèi)裝配圖和布線圖的設(shè)計，滿足現(xiàn)今行業(yè)發(fā)展的客觀需求與電氣設(shè)計技術(shù)革新的必然趨勢。筆者率先將專業(yè)的國際領(lǐng)先的電氣設(shè)計工具引入工程實訓(xùn)領(lǐng)域，培養(yǎng)了理論能力扎實、工程實踐能力強的機電一體化復(fù)合型人才。

[1]Trace Software International, FlyerEW_ZH_LT.pdf[EB/OL].http://dl.trace-software.com/dl/pdf/FlyerEW_ZH_LT.pdf,2013-10-06.

[2]涂國棟,劉云梅,李強.基于Elecworks & Solidworks的虛擬電工實訓(xùn)室構(gòu)建[J].科技信息,2010(15):62-63.

[3]王瑞.Elecworks:Solidworks機電一體化解決方案[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2009(10):37-38.

[4]岳經(jīng)偉.建設(shè)理實一體化的綜合布線實訓(xùn)中心[J].遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2008,10(4):109-110.

[5]elecworks 2013亮相SIMM2013深圳機械展[Z].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2013(5):6.

[6]清華機械工程系簽訂elecworks教育合作協(xié)議[Z].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2012(8):3.

[7]陸晚興,董連芬,孔德彭.基于Webquest的電工實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)探究[J].電子測試,2013(6):139-141.

[8]安銳明.SolidWorks簡化機械與電氣協(xié)同設(shè)計流程[R].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2013(2/3):69-71.