“電氣控制與PLC原理”課程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

曹勝敏，馬 壯

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

學(xué)生的工程實(shí)踐能力是衡量高等工程教育教學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)?！肮こ探逃娜瞬排囵B(yǎng)必須面向工程實(shí)際，加強(qiáng)工程訓(xùn)練?！盵1]因此，根據(jù)《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》對(duì)學(xué)科專(zhuān)業(yè)建設(shè)提出的要求以及《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》[2]對(duì)工科學(xué)生工程實(shí)踐能力的畢業(yè)要求，對(duì)“電氣控制與PLC原理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索。

1 “電氣控制與PLC原理”課程設(shè)置情況

“電氣控制與PLC原理”課程在本科自動(dòng)化類(lèi)和機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)中均有設(shè)置，包含電氣控制和PLC原理及控制兩部分內(nèi)容。這兩部分內(nèi)容，有的專(zhuān)業(yè)分開(kāi)設(shè)課，有的合并設(shè)課。雖然課程名稱(chēng)、課時(shí)量和開(kāi)設(shè)方式不同，但內(nèi)容差別不大。

“電氣控制與PLC原理”在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置中是合并設(shè)課，課程大綱要求掌握的三部分內(nèi)容為：一是電氣控制部分——低壓電器、單元控制電路、典型機(jī)床控制電路；二是PLC部分——PLC的工作原理、硬件與軟件系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)方法、通信與網(wǎng)絡(luò)；三是實(shí)驗(yàn)部分——電氣控制實(shí)驗(yàn)和PLC實(shí)驗(yàn)。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是重要的課內(nèi)實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)均依托實(shí)驗(yàn)裝置，但是設(shè)備選型和關(guān)鍵接線已經(jīng)固化，學(xué)生只需簡(jiǎn)單接線操作和程序的輸入驗(yàn)證即可完成實(shí)驗(yàn)，因此學(xué)生無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)。

2 綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

為培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)是一種有效的措施。綜合性實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生在掌握了相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)和技能后，綜合利用一門(mén)或多門(mén)課程知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法、技能進(jìn)行綜合性訓(xùn)練的一種復(fù)合性實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力為目標(biāo)，參照“工程知識(shí)”“問(wèn)題分析”“設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案”“研究”“使用現(xiàn)代工具”“溝通”“終身學(xué)習(xí)”等方面的畢業(yè)要求，確定“電氣控制與PLC原理”課程綜合性實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容與要求。

在課程學(xué)習(xí)階段，學(xué)生已經(jīng)掌握了電機(jī)和傳感器等相關(guān)知識(shí)，掌握了電氣控制部分的單元控制電路、PLC指令系統(tǒng)和PLC編程方法，并有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。在掌握相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要脫離實(shí)驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)要求完成從電源到控制終端的完整的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的實(shí)驗(yàn)課題，并整理資料，以獲得工程體驗(yàn)。此綜合性實(shí)驗(yàn)課題包含電氣控制、PLC控制、電機(jī)、變頻器、檢測(cè)、供電等知識(shí)，涵蓋方案確定、硬件選擇、導(dǎo)線選擇、變頻器參數(shù)設(shè)定、PLC程序設(shè)計(jì)等過(guò)程，涉及計(jì)算機(jī)繪圖、電路安裝、系統(tǒng)調(diào)試等技能，將“工程知識(shí)”等幾個(gè)方面的畢業(yè)要求融入整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，從而促進(jìn)學(xué)生提高應(yīng)用所學(xué)知識(shí)“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的能力。

在此設(shè)計(jì)理念下設(shè)計(jì)了綜合性實(shí)驗(yàn)課題：“三相交流電動(dòng)機(jī)多段速控制系統(tǒng)”“蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)”和“教室照明智能控制系統(tǒng)”，這3個(gè)課題構(gòu)成了整個(gè)“電氣控制與PLC原理”課程的綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涵蓋了此課程的主要知識(shí)點(diǎn)。

2.2 綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)組織

在綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)組織和實(shí)施過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)階段。第一階段為啟動(dòng)與準(zhǔn)備階段。在“電氣控制與PLC原理”課程開(kāi)始時(shí)，教師將綜合性實(shí)驗(yàn)的意圖和內(nèi)容進(jìn)行介紹并招募成員，每個(gè)實(shí)驗(yàn)課題組以3-4人為宜，然后教師說(shuō)明綜合性實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度要求。第二階段為綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施階段。在教師講完課程的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，課題組針對(duì)相關(guān)問(wèn)題完成預(yù)定的階段成果并進(jìn)行匯報(bào)。在課程結(jié)束后，課題組進(jìn)行系統(tǒng)電路的安裝和調(diào)試。第三階段為項(xiàng)目文件整理、成果提交和驗(yàn)收階段。

3 綜合性實(shí)驗(yàn)的要求、原理和方案——以“三相交流電動(dòng)機(jī)多段速控制系統(tǒng)”課題為例

3.1 實(shí)驗(yàn)要求

“三相交流電動(dòng)機(jī)多段速控制系統(tǒng)”綜合性實(shí)驗(yàn)課題以導(dǎo)線生產(chǎn)過(guò)程中的卷繞速度為控制對(duì)象，導(dǎo)線卷繞系統(tǒng)將成品導(dǎo)線卷繞到卷軸上，卷軸直徑隨著卷繞的時(shí)間逐漸增大，為使導(dǎo)線受力均勻，要求卷軸的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間逐漸降低，利用變頻器多段速控制如下：

系統(tǒng)正向卷繞，按正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，為保證啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間為15 s到達(dá)最高速的工頻50 Hz，20 s后第一層繞滿(mǎn)，電機(jī)改以47 Hz頻率運(yùn)行繞制第二層，再20 s后電機(jī)以44 Hz頻率運(yùn)行繞制第三層，再20 s后電機(jī)以41 Hz頻率運(yùn)行繞制第四層，再20 s后電機(jī)以38 Hz頻率運(yùn)行繞制第五層，再20 s后電機(jī)以35 Hz頻率運(yùn)行繞制第六層，再20 s后電機(jī)以31 Hz頻率運(yùn)行繞制第七層，再20 s后停止。如果中途按停止按鈕停止后再次啟動(dòng)，需保持停止前的速度。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

轉(zhuǎn)速公式：

式中，f為電源頻率，p為極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。

根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，三相交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種，即：變頻調(diào)速、變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。本例即為變頻調(diào)速，采用變頻器輸出七種頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的七種轉(zhuǎn)速，并利用PLC實(shí)現(xiàn)控制邏輯。

選用變頻器FR-E500。變頻器的控制端RH，RM，RL組合構(gòu)成七種有效頻率使電機(jī)實(shí)現(xiàn)七段速，如圖1所示。變頻器1-7速對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為Pr.4，Pr.5，Pr.6，Pr.24，Pr.25，Pr.26，Pr.27。利用PLC數(shù)字量控制程序控制變頻器RH，RM，RL3個(gè)端子的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)控制要求。

圖1 變頻器七段速

“三相交流電動(dòng)機(jī)多段速控制系統(tǒng)”原理如圖2所示。選用PLC為S7-1200CPU1214C，AC/DC/RLY型，訂貨號(hào)為6ES7214-1BG40-0XB0，電源電壓為220 VAC，DI電壓為24 VDC，DO電壓為24 VDC或220 VAC。變頻器的主電路電壓為380 VAC，控制電路電壓為24 VDC。PLC數(shù)字量輸出端與變頻器的轉(zhuǎn)向、速度控制端按圖2接線。

圖2 “三相交流電動(dòng)機(jī)多段速控制系統(tǒng)”原理圖

3.3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案細(xì)則

教師為每個(gè)實(shí)驗(yàn)制定實(shí)施細(xì)則，按課程進(jìn)度將任務(wù)細(xì)化，要求學(xué)生學(xué)完相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)后完成相應(yīng)的任務(wù)和考核目標(biāo)，提交相應(yīng)的成果，確保完成綜合性實(shí)驗(yàn)，詳見(jiàn)表1。

表1 “三相交流電動(dòng)機(jī)多段速控制系統(tǒng)”綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)施細(xì)則

續(xù)表

4 結(jié)論

用綜合性實(shí)驗(yàn)將“電氣控制與PLC原理”以及相關(guān)課程的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，脫離實(shí)驗(yàn)設(shè)備，按照工程要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、繪制系統(tǒng)電路圖和接線圖、選擇設(shè)備并進(jìn)行安裝調(diào)試、整理文件，使學(xué)生體驗(yàn)了完整的工程問(wèn)題解決過(guò)程。指導(dǎo)教師在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，增加了與學(xué)生的接觸，不僅可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受程度和接受能力，還可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生接受知識(shí)的風(fēng)格特點(diǎn)，這使教師的課堂教學(xué)更有針對(duì)性、更有活力[3]，取得更好的教學(xué)效果。

通過(guò)對(duì)24個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行為期2年的“電氣控制與PLC原理”綜合性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，筆者得到實(shí)驗(yàn)組成員的以下4點(diǎn)反饋：一是在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)有效溝通和交流，能發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作優(yōu)勢(shì)，提高協(xié)作能力；二是認(rèn)識(shí)到解決實(shí)際問(wèn)題過(guò)程是基礎(chǔ)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能的綜合應(yīng)用過(guò)程；三是體會(huì)到要圓滿(mǎn)完成一個(gè)項(xiàng)目，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要精益求精，都需要進(jìn)行深入研究；四是學(xué)到了課程以外的知識(shí)，提高了學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)習(xí)動(dòng)力，希望完成更多課題。

可見(jiàn)，綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施符合新工科“創(chuàng)新工程教育方式與手段，推動(dòng)新工科自主發(fā)展自我激勵(lì)機(jī)制”的理念，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力有極大的促進(jìn)作用。