基于Automation Studio的多課程聯(lián)合實(shí)訓(xùn)教學(xué)探究

孫小康 秦萌 史丹

摘? ?要：針對職業(yè)教育多課程交叉實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施過程中硬件不足、投入成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大等難題，結(jié)合《電機(jī)拖動》、《PLC編程及應(yīng)用技術(shù)》、《自動生產(chǎn)線裝調(diào)》等課程的教學(xué)特點(diǎn)，利用Automation Studio虛擬仿真平臺，進(jìn)行多課程聯(lián)合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)探究。本文以送料小車自動往返循環(huán)控制為例，闡述了基于Automation Studio 虛擬仿真平臺的項(xiàng)目模型搭建、梯形圖設(shè)計(jì)及電氣傳動仿真演示。實(shí)踐證明，虛擬仿真教學(xué)使學(xué)生多門課程綜合應(yīng)用能力得以提高，既提升教學(xué)效果，又切實(shí)降低實(shí)操的危險(xiǎn)性。

關(guān)鍵詞：多課程交叉? Automation Studio虛擬仿真? PLC控制? 自動往返

《維修電工綜合技能實(shí)訓(xùn)（中級）》以《電機(jī)拖動》、《PLC編程與應(yīng)用技術(shù)》、《自動生產(chǎn)線裝調(diào)》等課程內(nèi)容為先驗(yàn)知識，具有實(shí)踐性強(qiáng)、多課程交叉等特點(diǎn)。在職業(yè)教育1+X證書制度背景下，對教師和學(xué)生在多門課程高度交叉情況下如何高效的教和學(xué)提出新的挑戰(zhàn)。由于這類實(shí)訓(xùn)教學(xué)所需的一體化硬件設(shè)施成本高、建設(shè)周期長、實(shí)訓(xùn)危險(xiǎn)系數(shù)高，且學(xué)校往往經(jīng)費(fèi)緊張，導(dǎo)致不少教師迫于現(xiàn)實(shí)只能將實(shí)踐教學(xué)依舊停留在“投影-粉筆-黑板”模式的原始教學(xué)手段上[1]。這嚴(yán)重限制了多課程交叉實(shí)訓(xùn)課程的有效教學(xué)，使得學(xué)生對于此類課程的學(xué)習(xí)仍存在一定的認(rèn)知困難，實(shí)訓(xùn)案例剖析的廣度和深度不夠[2]。

本文通過Automation Studio搭建虛擬仿真平臺，針對《維修電工綜合技能實(shí)訓(xùn)（中級）》課程中的“小車自動往返循環(huán)控制”任務(wù)進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)與演示，在不需要投入高昂的一體化硬件設(shè)備的情況下，有效融合其他課程內(nèi)容，使跨課程的實(shí)踐教學(xué)變得簡單且高效。

1? Automation Studio在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的具體應(yīng)用

Automation Studio是加拿大貝加萊公司推出的一種集機(jī)電一體化、液壓與氣動、電氣自動化的綜合性仿真軟件，更加面向工程實(shí)踐，在課程教學(xué)中的應(yīng)用卻有待探究。采用項(xiàng)目化形式進(jìn)行“小車自動循環(huán)往返控制”的教學(xué)，Automation Studio 完全可以滿足該實(shí)踐任務(wù)的仿真需要。

1.1 項(xiàng)目概述

小車自動往返循環(huán)工作示意圖如圖1所示。電動機(jī)通過絲杠驅(qū)動小車的前進(jìn)與后退。項(xiàng)目需同時(shí)滿足以下控制要求：（1）自動循環(huán)工作（兩端5s延時(shí)）;（2）點(diǎn)動工作（供調(diào)試用）;（3）循環(huán)計(jì)數(shù)控制（循環(huán)5次）。小車前進(jìn)、后退一次為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)5次后自動停始發(fā)點(diǎn)。

1.2 項(xiàng)目分析

小車的前進(jìn)與后退是通過電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)來控制的，所以，完成這一套動作只要在電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制程序的基礎(chǔ)上修改即可。為了便于手動調(diào)試，小車工作的控制方式設(shè)有點(diǎn)動和自動連續(xù)兩種，采用控制開關(guān)SA1來切換（SA1閉合，點(diǎn)動;SA1關(guān)斷時(shí)，自動連續(xù)）。小車循環(huán)次數(shù)設(shè)定為5次，可利用計(jì)數(shù)器設(shè)定。

1.3 項(xiàng)目模型搭建

本文在項(xiàng)目實(shí)操前利用Automation Studio虛擬實(shí)訓(xùn)平臺針對小車自動往返進(jìn)行建模，在建模中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，將項(xiàng)目涉及的多課程知識有效融合，打通知識脈絡(luò)。

根據(jù)任務(wù)分析，模型的主電路與傳統(tǒng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路完全相同，但控制電路的功能則要通過PLC具體實(shí)現(xiàn)。本文選用西門子S7-300系列PLC，依據(jù) I/O分配表和控制要求，從軟件元件庫里選出所需的電氣元件，調(diào)好位置，并搭建仿真模型如圖2所示。

1.4 項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)

根據(jù)被控要求，首先引導(dǎo)學(xué)生在平臺上設(shè)計(jì)出電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的梯形圖程序，然后參照下述思路完成整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

（1）分析小車往返一次的工作過程可知，當(dāng)小車前進(jìn)過程中底門開關(guān)壓合行程開關(guān)SQ2后，X5常閉觸點(diǎn)應(yīng)先斷開Y0線圈，使小車停止前進(jìn)。然后X5常開觸點(diǎn)再接通Y1線圈，使小車后退，完成小車由前進(jìn)向后退的動作轉(zhuǎn)變。同理，撞塊壓合SQ1后，工作臺完成由后退轉(zhuǎn)為前進(jìn)的動作。

（2）小車在兩端停留5s后再返回，可由兩個(gè)定時(shí)器常開觸點(diǎn)分別并聯(lián)到正、反轉(zhuǎn)觸點(diǎn)（X2和X3）兩側(cè)代替行程開關(guān)X4和X5的常開觸點(diǎn)。

（3）根據(jù)點(diǎn)動控制的原理，當(dāng)電機(jī)連續(xù)控制環(huán)節(jié)不加自鎖時(shí)就能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動控制，設(shè)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1閉合后，實(shí)現(xiàn)小車點(diǎn)動控制，在梯形圖中，利用X0常閉觸點(diǎn)分別與常開觸點(diǎn)Y0、Y1串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動與連續(xù)控制的切換。

（4）小車由前進(jìn)變?yōu)楹笸瞬⑹沟组T開關(guān)壓合SQ1后，為1次工作循環(huán)。要使小車循環(huán)5次后停在始發(fā)點(diǎn)，可由減計(jì)數(shù)器設(shè)定工作臺循環(huán)次數(shù)。上升沿有效的計(jì)數(shù)脈沖由X5 （SQ1）提供。設(shè)定X2信號為啟動信號，X2閉合時(shí)系統(tǒng)正轉(zhuǎn)啟動，同時(shí)計(jì)數(shù)器給定預(yù)設(shè)值，為計(jì)數(shù)準(zhǔn)備。SQ1被壓合5次后，X5便通斷5次，則有5個(gè)計(jì)數(shù)脈沖輸入，減計(jì)數(shù)器S_CD輸出低電平。S_CD常開觸點(diǎn)斷開，使Y0線圈失電，小車停在始發(fā)點(diǎn)。

（5）考慮到安全因素，同時(shí)貼近生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)置SQ3與SQ4分別為后退和前進(jìn)的極限位保護(hù)裝置。

1.5 仿真調(diào)試

通過Automation Studio平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)交換，將梯形圖上傳至平臺電路中，實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)合動態(tài)仿真。仿真時(shí)，順次撥動各行程開關(guān)即可模擬小車自動循環(huán)往返動作。在程序運(yùn)行過程中，平臺能夠模擬出各個(gè)器件的動作，如小車的前進(jìn)和后退。還可以通過PLC端子顯示燈查看各信號的通斷。通過梯形圖高亮顯示，可實(shí)時(shí)定位程序運(yùn)行，方便驗(yàn)證項(xiàng)目設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

點(diǎn)擊菜單欄“顯示故障組件”選項(xiàng)，在仿真過程中，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)顯示發(fā)生故障的位置或器件，結(jié)合軟件中的示波器、繪圖儀等測量工具實(shí)時(shí)跟蹤元件的性能指標(biāo)，從而幫助學(xué)生對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[3]。

2? 實(shí)施效果

在利用Automation Studio虛擬實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行的教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生正確理解PLC、電氣拖動等多課程交叉在實(shí)踐操作中的關(guān)鍵性，培養(yǎng)學(xué)生多維度綜合思考的能力。并借助信息化云平臺和石墨文檔等手段對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行動態(tài)性記錄，為后續(xù)實(shí)操分組提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。在多元化評價(jià)體系下，對較為突出的學(xué)生作品進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)云展示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。最后，學(xué)生撰寫項(xiàng)目報(bào)告并對教師進(jìn)行教學(xué)評價(jià)。

3? 結(jié)語

本文采用Automation Studio輔助教學(xué)能夠啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和多課程綜合運(yùn)用能力，從項(xiàng)目的分析設(shè)計(jì)、模型的搭建到最后的仿真調(diào)試，其充分發(fā)揮靈活多變的設(shè)計(jì)方式并體現(xiàn)生動逼真的仿真效果。同時(shí)降低了實(shí)踐教學(xué)的成本和危險(xiǎn)性，為今后多課程的實(shí)踐教學(xué)提供了創(chuàng)新手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 許有熊，劉娣，王建紅.多課程聯(lián)合的虛擬項(xiàng)目教學(xué)應(yīng)用研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2018（1）：38-39.

[2] 田玉蘭，潘亞娣，翁錦萍.基于雙項(xiàng)目式教學(xué)的多課程綜合訓(xùn)練探索與研究[J].黑龍江教育，2016（11）：52-54.

[3] 單俠芹.基于Automation Studio軟件自動供料系統(tǒng)的改進(jìn)[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019（2）：93-96.