基于CDIO模式的電氣控制及PLC原理課程設(shè)計(jì)研究

竇新宇

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院， 河北 唐山 063000)

0 引言

CDIO工程教育理念是近年來國際工程教育改革的熱點(diǎn)研究成果之一，其核心是以工程產(chǎn)品的全壽命周期為載體包括產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到運(yùn)行的全過程，讓學(xué)生以互動(dòng)的、可操作性的、實(shí)踐的、成果之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)理論知識(shí)、工程技術(shù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1]。適用于CDIO項(xiàng)目式課程設(shè)計(jì)的教材少之又少。自動(dòng)化專業(yè)在試點(diǎn)班級(jí)進(jìn)行核心課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革，課程設(shè)計(jì)實(shí)行“做中學(xué)”“學(xué)中做”“教、學(xué)、做一體化”的課程設(shè)計(jì)模式，根據(jù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)及課程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求安排若干個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。學(xué)生每4～5人構(gòu)成一個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)內(nèi)合作、團(tuán)隊(duì)間協(xié)作加競爭的方式進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí)，教師僅起到指導(dǎo)答疑的作用，促使學(xué)生完成構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行(CDIO)的全過程。每組同學(xué)在項(xiàng)目完成后都要向全班做匯報(bào)，老師、同學(xué)根據(jù)其完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。在CDIO的基礎(chǔ)上，課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的核心技術(shù)和工程倫理道德，突出學(xué)生綜合技能的提升，使學(xué)生具有家國情懷、工程倫理、大國工匠精神的社會(huì)主義合格應(yīng)用型技術(shù)人才。

1 自動(dòng)倉儲(chǔ)的PLC控制項(xiàng)目

1.1 項(xiàng)目引入

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，作為物流業(yè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的倉儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)從原始的人工倉儲(chǔ)逐步向先進(jìn)的自動(dòng)倉儲(chǔ)發(fā)展，并呈現(xiàn)出自動(dòng)化、集成化、智能化的特點(diǎn)。

目前自動(dòng)化立體倉庫在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)較為普遍, 日本是自動(dòng)化倉庫發(fā)展最為迅速、數(shù)量最多的國家，此外美國、德國等國家也建造了許多自動(dòng)化倉庫發(fā)展至今，自動(dòng)化倉庫在設(shè)計(jì)、制造、自動(dòng)化控制等方面的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，采用合理的自動(dòng)化控制系統(tǒng)加快了運(yùn)行和處理速度, 降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1.2 項(xiàng)目目標(biāo)

項(xiàng)目目標(biāo)具體包括專業(yè)知識(shí)目標(biāo)和課程思政目標(biāo)。專業(yè)知識(shí)目標(biāo)：掌握根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)PLC外圍電路的方法；會(huì)根據(jù)實(shí)際控制要求設(shè)計(jì)簡單的梯形圖；掌握PLC控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)與繼電器-接觸器控制正反轉(zhuǎn)的區(qū)別。課程思政目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生工程倫理精神；訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生工藝意識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)、質(zhì)量意識(shí)，達(dá)到初步的CDIO工程項(xiàng)目的實(shí)踐能力。

1.3 項(xiàng)目考核要求

根據(jù)要求選擇硬件、畫出PLC外部接線圖；掌握PLC控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的編程技巧和設(shè)計(jì)方法；獨(dú)立完成整機(jī)安裝及調(diào)試過程；根據(jù)系統(tǒng)調(diào)試出現(xiàn)的典型故障狀況，修改相關(guān)設(shè)計(jì)；完成倉儲(chǔ)運(yùn)貨小車自動(dòng)往返PLC控制電路設(shè)計(jì)。

1.4 CDIO項(xiàng)目實(shí)施

構(gòu)思(C)：項(xiàng)目構(gòu)思與任務(wù)分解，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，制定出工作計(jì)劃及工藝流程；設(shè)計(jì)(D)：學(xué)生分組設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案；實(shí)現(xiàn)(I)：繪圖，元器件安裝與布線；運(yùn)行(O)：調(diào)試運(yùn)行與項(xiàng)目評(píng)價(jià)。

2 CDIO項(xiàng)目實(shí)施分解

2.1 項(xiàng)目構(gòu)思

根據(jù)現(xiàn)代化、智能化物流要求，可靠性高、運(yùn)營便捷高效的自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)需求市場前景廣闊。首先，教師下發(fā)項(xiàng)目詳單，布置項(xiàng)目需要完成的任務(wù)及控制要求，介紹項(xiàng)目的應(yīng)用情況，進(jìn)行項(xiàng)目分析，引導(dǎo)學(xué)生分析PLC對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制要求；其次，引導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目所需知識(shí)、能力培養(yǎng)及軟硬件準(zhǔn)備工作；第三，提示學(xué)生項(xiàng)目所涉及PLC運(yùn)行控制的指令、工作原理，講解編程軟件的相關(guān)知識(shí)；第四，學(xué)生進(jìn)行小組分工，明確項(xiàng)目工作任務(wù)，小組成員討論項(xiàng)目如何實(shí)施，進(jìn)行任務(wù)分解，學(xué)習(xí)完成項(xiàng)目所需的知識(shí)，查找自動(dòng)倉儲(chǔ)方面的PLC控制資料，制定項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，確定工藝流程。

2.1.1 自動(dòng)倉儲(chǔ)的PLC控制項(xiàng)目分析

某送料小車3點(diǎn)自動(dòng)往返控制原理及要求如下：(1)按下SB1(啟動(dòng)按鈕)，送料小車電機(jī)M開始正轉(zhuǎn)代表向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)送料小車碰到SQ1(限位開關(guān))后， M開始反轉(zhuǎn)代表向后倒退。(2)送料小車后退直到碰到SQ2(限位開關(guān))后， M停止轉(zhuǎn)動(dòng)，靜止時(shí)間為5 s。送料小車第二次前進(jìn)直到碰觸SQ3(限位開關(guān))，其第二次向后倒退。(3)當(dāng)?shù)诙蜗蚝蟮雇伺龅絊Q2時(shí)，送料小車停止運(yùn)行，延時(shí)10 s后重復(fù)上述動(dòng)作[2]。

2.1.2 自動(dòng)倉儲(chǔ)的PLC控制相關(guān)知識(shí)

PLC編程相關(guān)知識(shí)主要包括程序控制類指令和中斷處理類指令。

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并進(jìn)行分析、答疑；指導(dǎo)學(xué)生從經(jīng)濟(jì)性、合理性和適用性的角度進(jìn)行項(xiàng)目方案的設(shè)計(jì)，要考慮項(xiàng)目的成本，反復(fù)修改方案，點(diǎn)評(píng)修訂并確定最終設(shè)計(jì)方案。學(xué)生分組討論設(shè)計(jì)自動(dòng)倉儲(chǔ)的PLC控制項(xiàng)目方案，在教師的指導(dǎo)與參與下，學(xué)生從多個(gè)角度、根據(jù)工作特點(diǎn)和工作要求制訂多種方案計(jì)劃，并討論各個(gè)方案的合理性、可行性與經(jīng)濟(jì)性，綜合評(píng)價(jià)方案擇優(yōu)確定最終方案實(shí)施計(jì)劃，分配好每名組員的工作任務(wù)。最終控制方案包括：控制要求，相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，整體安裝，運(yùn)行調(diào)試6個(gè)環(huán)節(jié)。

(1)自動(dòng)倉儲(chǔ)的PLC控制硬件設(shè)計(jì)。

主電路設(shè)計(jì)是電氣控制的正反轉(zhuǎn)主電路。元器件I/O分配輸入信號(hào)部分：啟動(dòng)按鈕SB1對(duì)應(yīng)I0.0；B位置開關(guān)SQ1對(duì)應(yīng)I0.1；A限位開關(guān)SQ2對(duì)應(yīng)I0.2；C位置開關(guān)SQ3對(duì)應(yīng)I0.3；停止和過載開關(guān)SB2、FR對(duì)應(yīng)I0.4。輸出信號(hào)部分：正轉(zhuǎn)線圈KM1對(duì)應(yīng)Q0.1；反轉(zhuǎn)線圈KM2對(duì)應(yīng)Q0.2。設(shè)計(jì)PLC接線圖。

(2)自動(dòng)倉儲(chǔ)的PLC控制程序編制。

PLC編程有3種常用方法分別為狀態(tài)圖、梯形圖和指令語句表，熟悉掌握3種方法的編程特點(diǎn)及區(qū)別[3-4]。

2.3 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)

教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施，進(jìn)行系統(tǒng)安裝，講解項(xiàng)目實(shí)施的工藝規(guī)程和安全注意事項(xiàng)。學(xué)生分組進(jìn)入工程實(shí)訓(xùn)區(qū)，實(shí)際操作，在教師監(jiān)督指導(dǎo)下把元器件選好，并列出明細(xì)，列出PLC外部I/O分配表，畫出PLC外部接線圖，并進(jìn)行PLC接線與調(diào)試，填寫好項(xiàng)目實(shí)施記錄相關(guān)材料。自動(dòng)倉儲(chǔ)PLC控制安裝步驟及工藝要求包括三個(gè)方面分別為：選配并檢測元器件和電氣設(shè)備；安裝元器件；實(shí)際布線。

2.4 項(xiàng)目運(yùn)行與評(píng)價(jià)

(1)項(xiàng)目運(yùn)行。

教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)倉儲(chǔ)PLC程序調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行，講解調(diào)試運(yùn)行的注意事項(xiàng)及安全操作規(guī)程，并對(duì)學(xué)生的成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)生檢查運(yùn)料小車往返運(yùn)行PLC控制電路任務(wù)的完成情況，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行調(diào)試與運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，直到調(diào)試成功為止。分析不足，匯報(bào)學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)心得，展示工作成果；對(duì)項(xiàng)目完成情況進(jìn)行總結(jié)，完成項(xiàng)目報(bào)告，撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。

(2)項(xiàng)目評(píng)價(jià)。

項(xiàng)目完成后，應(yīng)對(duì)各組完成情況進(jìn)行驗(yàn)收和評(píng)定，具體驗(yàn)收指標(biāo)包括：硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、程序調(diào)試、整機(jī)調(diào)試、功能擴(kuò)展、課程設(shè)計(jì)說明書、小組答辯7個(gè)方面。其中硬件設(shè)計(jì)主要考核根據(jù)繼電器-接觸器控制電路確定PLC點(diǎn)數(shù)和根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇PLC型號(hào)、畫接線圖及實(shí)際接線；軟件設(shè)計(jì)主要考核根據(jù)控制要求編制梯形圖程序和用軟件輸入程序監(jiān)控調(diào)試；整機(jī)調(diào)試主要考核按照生產(chǎn)規(guī)程操作軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試，運(yùn)行設(shè)備整機(jī)調(diào)試；功能擴(kuò)展主要考核在滿足基本功能的基礎(chǔ)上開發(fā)出附加功能；課程設(shè)計(jì)說明書主要考核說明所規(guī)定的撰寫情況。

3 結(jié)語

全文以自動(dòng)倉儲(chǔ)的PLC控制項(xiàng)目為例深入研究了CDIO模式應(yīng)用于電氣控制及PLC原理課程設(shè)計(jì)全過程的方案，分別從課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行4個(gè)方面進(jìn)行了深入研究。根據(jù)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本文所提方法適合唐山學(xué)院人才培養(yǎng)目標(biāo)，廣受師生好評(píng)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)及教學(xué)效果，為今后唐山學(xué)院相關(guān)課程設(shè)計(jì)的開展提供了一種新的思路，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。