基于MCD的PLC創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法探討

楊保健　康獻(xiàn)民　黃光潤　黃照輝

摘要：實(shí)踐教學(xué)是PLC教學(xué)中的重要組成部分，而現(xiàn)有的很多實(shí)踐教學(xué)方法在一定程度上限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。論文創(chuàng)新性地將西門子MCD系統(tǒng)應(yīng)用到PLC的實(shí)踐教學(xué)改革中，從概念設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)四個(gè)環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生對PLC控制技術(shù)的興趣，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的虛擬運(yùn)動(dòng)模擬和設(shè)計(jì)評估，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：MCD；實(shí)踐教學(xué)；PLC；積極性；仿真模擬

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）31-0190-02

一、引言

實(shí)踐教學(xué)是PLC教學(xué)中的重要組成部分，而現(xiàn)有的很多實(shí)踐教學(xué)方法在一定程度上限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，不利于“大工程教育”和“新工科”背景下應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[1，2]。主要表現(xiàn)在：設(shè)備老套、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、實(shí)踐教學(xué)方法滯后?；诖?，論文將MCD（Mechatronics Conceptual Design）與PLC有機(jī)結(jié)合，整合校企資源，探討一種新的實(shí)踐教學(xué)方法。

二、基于MCD的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)

1.MCD系統(tǒng)簡介。MCD具體仿真過程包括零部件的3D數(shù)字化建模、運(yùn)動(dòng)關(guān)系的虛擬約束、PLC硬件的接線、PLC梯形圖的編制等。主要用于模擬PLC控制環(huán)境中各個(gè)機(jī)械零件和組件之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，既可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的虛擬模擬和評估，也可以真實(shí)顯示虛擬模型的受控運(yùn)動(dòng)行為，初步實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的PLC實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生能在虛擬環(huán)境中快速評估機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及控制系統(tǒng)的科學(xué)性，增強(qiáng)了機(jī)械、電子和自動(dòng)化等跨學(xué)科設(shè)計(jì)的協(xié)作，可有效培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性全局性的設(shè)計(jì)能力。而在企業(yè)應(yīng)用方面，最高可將產(chǎn)品上市時(shí)間縮短30%[3]。

2.基于MCD的多學(xué)科協(xié)同式實(shí)踐教學(xué)。借助MCD優(yōu)化整合教學(xué)資源，搭建不同層次、不同類型的突出現(xiàn)場、突出實(shí)踐、突出一線的準(zhǔn)企業(yè)、準(zhǔn)工程化的虛擬綜合型訓(xùn)練平臺(tái)。同時(shí)，將《PLC技術(shù)》課程教學(xué)大綱中規(guī)定的若干教學(xué)內(nèi)容（涵蓋PLC基本指令、步進(jìn)指令、應(yīng)用功能指令、PLC與變頻器、PLC運(yùn)動(dòng)控制等）轉(zhuǎn)化為源自企業(yè)的實(shí)際工程項(xiàng)目，如：電風(fēng)扇裝配流水線控制、機(jī)械手上下料動(dòng)作的控制、運(yùn)料小車動(dòng)作控制、零件分揀系統(tǒng)模擬、基于PLC通信方式的變頻器開環(huán)調(diào)速等教學(xué)項(xiàng)目。以學(xué)生及其興趣培養(yǎng)為中心，圍繞項(xiàng)目組織和展開實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生直接參與項(xiàng)目的全過程。

小組的成員可以根據(jù)自己的能力選擇項(xiàng)目合作完成，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和解決實(shí)際問題能力。具體包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：控制對象建模、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)約束、分配輸入輸出點(diǎn)、繪制控制接線圖、程序的編制與系統(tǒng)調(diào)試，如圖1所示。最后，每周匯總點(diǎn)評一次，組長匯報(bào)小組的完成情況，組員補(bǔ)充講解任務(wù)實(shí)施過程中遇到的問題和解決方法，共同探討其他小組提出的問題。通過運(yùn)用MCD仿真軟件，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容老套、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足等問題?；贛CD系統(tǒng)的仿真截面如下頁圖2所示。

三、綜合考核對比

1.課程考試成績對比。論文研究過程中隨機(jī)選取機(jī)械專業(yè)大三某班40名學(xué)生作為實(shí)踐教學(xué)改革樣本，4人一組進(jìn)行多學(xué)科協(xié)同式PLC實(shí)踐教學(xué)，每組隨機(jī)從以下八個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目中選取一個(gè)：自動(dòng)停車場車位PLC控制設(shè)計(jì)、自助洗車機(jī)PLC控制設(shè)計(jì)、自動(dòng)售貨機(jī)的PLC控制設(shè)計(jì)、電風(fēng)扇裝配流水線控制設(shè)計(jì)、機(jī)械手上下料動(dòng)作的控制設(shè)計(jì)、運(yùn)料小車動(dòng)作控制設(shè)計(jì)、零件分揀系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、基于PLC通信方式的變頻器開環(huán)調(diào)速設(shè)計(jì)。最后與其他平行班學(xué)生同期同卷考試，試題內(nèi)容為PLC的實(shí)際應(yīng)用，涵蓋PLC的系統(tǒng)接線、I/O口的分配、繪制梯形圖或指令表?？荚嚦煽兘Y(jié)果如圖3所示。

從圖3數(shù)據(jù)可看出，樣本班級總體考試成績較其他兩個(gè)平行班級好。樣本班級的各大題的平均得分較另外兩個(gè)班級的高，且0分人數(shù)明顯比另外兩個(gè)班級少，反應(yīng)出以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)的PLC體驗(yàn)式實(shí)踐教學(xué)改革，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)PLC理論知識(shí)并切身體驗(yàn)PLC實(shí)際控制的積極性與主動(dòng)性，讓學(xué)生從“老師要我做實(shí)驗(yàn)”到“我想親自體驗(yàn)PLC的虛擬控制”完美轉(zhuǎn)變。在鞏固知識(shí)結(jié)構(gòu)、提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維方面初見成效。

2.企業(yè)實(shí)踐評價(jià)。在學(xué)生完成了五個(gè)體驗(yàn)式項(xiàng)目之后，我們在暑期進(jìn)行了為期一周的企業(yè)PLC控制綜合訓(xùn)練，進(jìn)行物料傳送分揀系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，將所學(xué)的基于MCD的PLC虛擬控制技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)中。江門市中勝實(shí)業(yè)有限公司黃照輝副總經(jīng)理對學(xué)生做出了這樣的評價(jià)：“學(xué)生在為期一周的綜合實(shí)訓(xùn)中能夠通盤考慮概念設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)以及軟件開發(fā)等多領(lǐng)域問題，為我們解決了箱包生產(chǎn)流水線的PLC控制難題，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。”

四、結(jié)論

以珠三角地區(qū)對人才的需求特色和需求數(shù)量為改革目標(biāo)的PLC創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法探索借助MCD優(yōu)化整合了學(xué)校教學(xué)資源，試行了多學(xué)科協(xié)同式實(shí)踐教學(xué)方法并經(jīng)過了平行班對比考試和企業(yè)用人評價(jià)，達(dá)到了預(yù)期效果。大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，朝著“大工程教育”和“新工科”背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬秀坤，史運(yùn)濤，王捷，等.PLC實(shí)踐教學(xué)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的探索與創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，（3）：228-231.

[2]楊保健，楊鐵牛，葉榕偉.教學(xué)型高校機(jī)電傳動(dòng)控制課程考核方法改革的探索與實(shí)踐[J].高教研究與探索，2014，（2）：47-49.

[3]楊啟森.Siemens PLM software MCD：連接虛擬與現(xiàn)實(shí)的橋梁[R].智能制造，2015，（12）：12-13.