機電一體化技術(shù)專業(yè)項目化教學設(shè)計①

田小濤

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院 河南焦作 454000)

高等職業(yè)院校的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)面向生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)和管理第一線需要的高技能人才，在我國加快推進社會主義現(xiàn)代化建設(shè)進程中具有不可替代的作用，因此我們要在機電一體化技術(shù)專業(yè)教學中突出職業(yè)教育需求。本文以工業(yè)現(xiàn)場實際生產(chǎn)應用為依據(jù)，選取典型控制環(huán)節(jié)，對機電一體化技術(shù)專業(yè)核心技能訓練進行了一個基于職業(yè)能力培養(yǎng)為目標的項目化教學設(shè)計，構(gòu)建了一套實訓裝置。實訓裝置主要由分揀模型、安全保護系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)、電氣動系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、觸摸屏控制監(jiān)測系統(tǒng)組成。該項目化設(shè)計方案的目的是培養(yǎng)學生綜合運用PLC、變頻器、HMI等專業(yè)核心技能，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)需要構(gòu)建機電一體化系統(tǒng)、安裝、編程、調(diào)試等解決工程實際問題的能力。該實訓模型與當今工廠生產(chǎn)一線實際應用緊密結(jié)合，非常適合當今職業(yè)教育教學改革對工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。本項目化教學設(shè)計不僅相對節(jié)約成本，而且能夠讓學生清晰認識理解PLC控制系統(tǒng)從設(shè)計、設(shè)備選型、實施到調(diào)試的全過程，能夠充分調(diào)動學生的學習興趣和積極性，還能夠全方位地培養(yǎng)學生的安全意識、團隊協(xié)作能力、職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)核心技能和創(chuàng)新能力。

1 實訓裝置方案設(shè)計

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 安全保護系統(tǒng)原理圖

為了突出職業(yè)教育特色，全面培養(yǎng)學生的職業(yè)核心技能和創(chuàng)新能力，實訓裝置由生產(chǎn)線分揀模型、安全保護系統(tǒng)、PLC 電氣控制系統(tǒng)、電氣動系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、觸摸屏控制監(jiān)測系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

（1）分揀模型。設(shè)計制作了生產(chǎn)線分揀模型，以該模型作為PLC控制系統(tǒng)的控制對象，包括料筒、推料氣缸、滑道、底座、輸送帶等基本部件。工作過程包括：推料氣缸將料筒里面的物料根據(jù)控制要求按照手動自動工作方式推入滑道，物料經(jīng)過滑道時傳感器進行材質(zhì)識別和計數(shù)，物料通過滑道進入傳送帶，傳送帶監(jiān)測到物料后驅(qū)動變頻器控制三相異步電動機將物料運送到指定位置。

（2）安全保護系統(tǒng)。在電動機回路和PLC電源回路均設(shè)有低壓斷路器，能夠有效地起到短路保護和過載保護。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，控制系統(tǒng)采用皮爾茲安全繼電器進行防護。安全繼電器的作用是當設(shè)備突然出現(xiàn)故障時，在故障未消除或故障未確認前，設(shè)備是無法正常運轉(zhuǎn)的，以此防止設(shè)備故障后突然運行給人身和設(shè)備帶來的危險。

（3）PLC電氣控制系統(tǒng)。PLC采用西門子S7-200 smart系列經(jīng)濟版，性價比高，足夠日后項目升級擴展使用，安裝在控制柜內(nèi)；控制柜內(nèi)還有安全繼電器、開關(guān)電源、繼電器、變頻器、低壓斷路器、接線端子等。操作指示面板包含觸摸屏、急停開關(guān)、急停開關(guān)復位、系統(tǒng)運行總開關(guān)、運行狀態(tài)指示燈、點動自動操作選擇開關(guān)、點動自動運行開關(guān)、氣缸伸出帶指示燈開關(guān)、氣缸縮回帶指示燈開關(guān)、壓力指示燈、初始位置指示燈。PLC根據(jù)控制要求，檢測分揀裝置的工作狀態(tài)及傳送帶的運行速度，利用變頻器實現(xiàn)傳送帶的運行速度控制。系統(tǒng)具有自動循環(huán)、手動操作工作方式，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進行切換，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)試與運行狀態(tài)。

（4）電氣動系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)主要由氣動三聯(lián)件、三通、壓力開關(guān)、主閥、節(jié)流閥、氣缸等組成。為推料氣缸的正常工作提供控制和動力，當壓力低于3bar時，壓力開關(guān)斷開，并給PLC發(fā)送控制信號停止控制系統(tǒng)工作，當壓力高于3bar時，控制系統(tǒng)才能正常工作。

（5）變頻調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速設(shè)備采用的是西門子公司的G120C變頻器，該變頻器成本低廉簡單易用。根據(jù)訓練要求應用PLC發(fā)送控制信號給變頻器，可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、多段速控制等功能，能夠滿足職業(yè)院校學生掌握變頻器應用技能的要求。同時使用編碼器實現(xiàn)對三相異步電動機速度的監(jiān)測和控制。

（6）觸摸屏控制監(jiān)測系統(tǒng)。利用觸摸屏監(jiān)測控制生產(chǎn)線分揀實訓裝置的實時工作狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，以按鈕動畫指示、狀態(tài)曲線、和工作數(shù)據(jù)圖表的方式展示出來，既能用觸摸屏進行控制實訓裝置進行工作，也能進行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)數(shù)據(jù)指示。

2 安全保護系統(tǒng)設(shè)計

為保證系統(tǒng)的安全可靠運行，本設(shè)計采用皮爾茲安全繼電器PNOZ X3進行雙通道的安全防護，急停按鈕S1采用雙通道設(shè)計，任何一個通道故障，設(shè)備均無法運行；復位按鈕S2回路與控制電機運行的接觸器KM1、KM2的常閉觸點串聯(lián)，保證系統(tǒng)復位功能在設(shè)備正常運行狀態(tài)失效。安全保護系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

3 PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用西門子PLC CPU CR60作為主控單元，根據(jù)系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能，PLC的輸入點包括自動/手動切換、用來檢測速度的編碼器信號、位置檢測信號等，輸出點包括對變頻器的控制信號、運動狀態(tài)的指示信號等。PLC的接線圖如圖3所示。

4 電氣動系統(tǒng)設(shè)計

電氣動系統(tǒng)主要由一個二位三通電磁閥、一個二位五通電電磁閥、兩個單向節(jié)流閥、一個壓力開關(guān)和一個雙作用氣缸組成，工具工作要求是用PLC控制雙作用氣缸在手動和自動狀態(tài)下伸出和縮回完成推送分揀物料的任務(wù)，電氣動系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)原理圖

圖4 電氣動系統(tǒng)原理圖

圖5 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

5 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是要實現(xiàn)點動運行、正反轉(zhuǎn)或者多段速工作狀態(tài)，從而模擬生產(chǎn)線的實際運行情況。本系統(tǒng)選用的是西門子公司的變頻器個G120C，該變頻器設(shè)置簡單，可快速讓學生掌握利用PLC控制變頻器實現(xiàn)以上工作狀態(tài)或功能要求，變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖如圖5所示。

6 觸摸屏控制監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用北京昆侖通態(tài)TPC1061Ti觸摸屏，該觸屏采用了10英寸高亮度TFT液晶顯示屏并帶有以太網(wǎng)端口。本設(shè)計中觸屏與PLC采用網(wǎng)線直接連接，操作方便，連接簡潔，既能實現(xiàn)監(jiān)測功能，也可以通過觸屏對系統(tǒng)進行控制操作。

7 項目化教學實施過程

本項目化教學設(shè)計按照“任務(wù)引領(lǐng)、項目驅(qū)動”的思想對學生開展實訓教學,該項目化教學在高職教育的最后一個學期開展，此時學生已經(jīng)完成所有專業(yè)課程的學習，本項目化教學圍繞完成一個具體的工程項目來考查、鞏固所學的專業(yè)知識，從任務(wù)與職業(yè)能力出發(fā)，設(shè)定職業(yè)能力培養(yǎng)目標，以實際的項目為載體，培養(yǎng)學生時實踐動手能力。在項目實施時過程中，教師不再直接參與到教學活動中，而是對學生進行綱領(lǐng)性的引導只要保證學生的實踐方向符合課程的要求，放開手讓學生自己去面對各種各祥的問題，每項任務(wù)的完成，需要學生分組解決各方面的問題，自己動手查閱資料，在實際的操作與檢驗中，能夠使學生對暴露的問題有更深刻的認識和理解。

8 結(jié)語

本項目化教學設(shè)計方案集合了PLC控制技術(shù)、變頻器控制技術(shù)、觸摸屏控制技術(shù)、氣動控制技術(shù)、電氣安全保護等專業(yè)知識和技能，是機電一體化專業(yè)的綜合性項目化教學實施方案，與工業(yè)現(xiàn)場實際應用緊密結(jié)合，突出了當前職業(yè)教育特色，符合國家培養(yǎng)高技能人才的需求。同時，該項目化設(shè)計需要配合“提出問題—討論計劃—學生決策—方案實施—學生自查—教師評估”的六步教學法，教師積極引導學生獨立思考問題、解決問題，充分調(diào)動發(fā)揮學生的學習主動性和創(chuàng)新能力。該項目化實訓方案自2013年在我院實施以來，學生的學習積極性顯著提高，教學效果明顯提升，不僅讓學生又好又快地掌握專業(yè)知識，又培養(yǎng)了學生解決實際問題的能力、團隊協(xié)作精神、發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。