基于自動化生產(chǎn)線的PLC課程項目式教學(xué)改革研究*

胡仁平 ， 張 謙 ， 鄧健平 ， 呂友萍 ， 胡 玲

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

“智能制造”是《中國制造2025》的主攻方向，是落實制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要舉措，是我國制造業(yè)緊跟世界發(fā)展趨勢、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵所在[1]。我國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級中，要落到實處，產(chǎn)生效果，需要做各方面的努力，而其關(guān)鍵還在于人才，不僅需要科技領(lǐng)軍型人才，也需要大批高技能人才。因而，培養(yǎng)滿足智能制造的高素質(zhì)復(fù)合型技能型人才，履行為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的使命，是高職院校裝備制造類專業(yè)人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)[2]。

在智能制造系統(tǒng)中，工業(yè)控制系統(tǒng)是自動化、信息化的基礎(chǔ)，而PLC（可編程控制器）又是工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的核心部件。伴隨著智能制造落地，智能制造項目越來越多，PLC在智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣[3]，對于PLC技術(shù)的應(yīng)用要求也相應(yīng)地水漲船高。作為高職院校機(jī)電專業(yè)核心課程PLC的要求也發(fā)生了變化，由傳統(tǒng)的邏輯控制轉(zhuǎn)為要求與變頻調(diào)速、伺服控制、機(jī)器人和生產(chǎn)過程等協(xié)同或一體的復(fù)合控制。

為了適應(yīng)智能制造背景下對PLC技能培養(yǎng)的要求，很多學(xué)校都進(jìn)行了“教、學(xué)、做”一體化的PLC課程教學(xué)改革，將學(xué)生作為教學(xué)活動的主體，以項目任務(wù)為導(dǎo)向，實現(xiàn)實踐教學(xué)和理論教學(xué)的相互融合、互相交叉，解決了傳統(tǒng)教學(xué)過程中學(xué)生積極性不高、理論知識枯燥、實踐能力培養(yǎng)不足等問題，一定程度上提高了教學(xué)效率。然而很多項目教學(xué)都沒有實際被控對象，而只配置PLC主機(jī)及被控對象模擬板，使用模擬板上的按鈕、開關(guān)模擬一些傳感器作為輸入設(shè)備，指示燈作為輸出設(shè)備模擬被控對象的動作。學(xué)生只能根據(jù)模擬板上開關(guān)及指示燈的變化來觀察項目的控制過程，不能很好地反映出被控對象的動態(tài)變化過程，實踐真實性差，使得學(xué)生理解起來困難，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時，項目的內(nèi)容依賴于知識點，項目之間銜接不緊密，任務(wù)比較零散，無法集成為一個大系統(tǒng)，并且與智能制造的自動化生產(chǎn)匹配度不高，不利于智能制造自動化生產(chǎn)的控制系統(tǒng)設(shè)計及產(chǎn)線維護(hù)的綜合能力的培養(yǎng)[4]。

因此，PLC課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該要與智能制造的工業(yè)控制緊密結(jié)合，從而適應(yīng)智能制造對人才培養(yǎng)的需求，同時教學(xué)組織應(yīng)以項目任務(wù)的實操為主，提升學(xué)生的工程實踐能力。

1 課程的整體設(shè)計

1.1 項目的設(shè)計

亞龍YL-335B自動化生產(chǎn)線集機(jī)械、氣動、PLC控制、傳感器以及變頻調(diào)速、伺服控制、觸摸屏等技術(shù)于一體，覆蓋工件上料、加工、裝配、分揀入庫等程序，實現(xiàn)產(chǎn)品的全自動化控制過程[5]，具有很強(qiáng)的綜合性，是學(xué)習(xí)PLC技能及培養(yǎng)工程實踐能力非常不錯的載體。

結(jié)合湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電一體化技術(shù)的人才培養(yǎng)方案，以及配備8條S7-200 Smart 系列PLC為主機(jī)的YL-335B自動化生產(chǎn)線的實訓(xùn)條件，該校將PLC課程以YL-335B自動化生產(chǎn)線為載體進(jìn)行PLC項目式教學(xué)改革。教學(xué)內(nèi)容圍繞自動化生產(chǎn)線各單站控制系統(tǒng)設(shè)計及總體聯(lián)調(diào)的核心內(nèi)容展開，將專業(yè)知識、技能及職業(yè)素養(yǎng)方面的具體要求與各項目模塊進(jìn)行有效整合，并以項目任務(wù)為核心，實施以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的理實一體的項目式教學(xué)。具體項目分為：供料單元單站的PLC控制、加工單元單站的PLC控制、裝配單元單站的PLC控制、分揀單元單站的PLC控制、輸送單元單站的PLC控制和自動化生產(chǎn)線的聯(lián)調(diào)。項目的內(nèi)容依照YL-335B生產(chǎn)線的動作順序進(jìn)行排列，從簡單邏輯控制→計數(shù)、定時→模擬量控制（變頻控制）→高速輸入（位置檢測）→高速輸出（伺服控制）→通信聯(lián)調(diào)的主線層層遞進(jìn)，使學(xué)生在項目任務(wù)實施中不斷提升技能水平。

1.2 教學(xué)模式的確定

在課程整體設(shè)計中，采用了真實載體的自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計作為課程的具體項目。因每個項目所涉及的問題具有綜合性和開放性很強(qiáng)的特點，而且PLC課程本身就具有理論性、設(shè)計性強(qiáng)的特點，在完成各個站的PLC控制任務(wù)時，都要求學(xué)生具有一定的相關(guān)PLC理論知識儲備，勢必需要在教學(xué)過程中花大量的時間進(jìn)行知識點的講授，學(xué)生的動手實踐時間將會被壓縮，從而影響到工程實踐能力的培養(yǎng)。

基于此，采用線上線上混合式教學(xué)模式，線上用于任務(wù)的接收和理論知識的學(xué)習(xí)，線下在理實一體的實訓(xùn)室完成任務(wù)的實施。具體過程：將每個項目用到的知識點和技能點進(jìn)行了碎片化整理，整理成微教案，并錄制相應(yīng)的教學(xué)視頻和實操視頻，上傳至智慧職教MOOC平臺，供學(xué)生線上進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過智慧職教MOOC平臺資源的學(xué)習(xí)、習(xí)題的作答、單元測驗及線上的討論答疑，將項目任務(wù)對應(yīng)的知識儲備放到課外。在課中以學(xué)生為中心，通過對共性問題進(jìn)行討論從而達(dá)成知識點的內(nèi)化，將更多的動手時間用于完成控制系統(tǒng)設(shè)計的實操任務(wù)來培養(yǎng)工程實踐能力。課后通過開放的實訓(xùn)室和智慧職教平臺資源，完成相關(guān)知識的鞏固和拓展。

1.3 課程的考核評價

課程考核由過程性考核（60%）與終結(jié)性考核（40%）兩部分組成。

1.3.1 過程性考核

過程性考核以單個的學(xué)習(xí)任務(wù)為單位，由線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)（50%）和線下任務(wù)實操過程（50%）組成，每個項目成績?yōu)楦鱾€子任務(wù)評分之和。其中線上數(shù)據(jù)主要依據(jù)線上參與度、學(xué)習(xí)任務(wù)完成情況、闖關(guān)測試成績等，通過平臺設(shè)置權(quán)重直接統(tǒng)計得到結(jié)果。線下的過程性成績主要由貢獻(xiàn)度（組內(nèi)互評表）、作品成果（小組交叉互檢評分表）、職業(yè)素養(yǎng)、成果展示成績等組成。

1.3.2 終結(jié)性考核

終結(jié)性考核以生產(chǎn)線單站或聯(lián)調(diào)控制為任務(wù)，考核學(xué)生控制系統(tǒng)設(shè)計能力。從I/O分配表、硬件接線圖、功能測試、工藝規(guī)范及在實操過程中的職業(yè)素養(yǎng)方面進(jìn)行綜合評定。

2 教學(xué)組織實施

以分揀單元單站的PLC控制中的子任務(wù)分揀單元電動機(jī)的模擬量變頻調(diào)速控制為例，展示線上線下混合式教學(xué)模式的實施過程。

2.1 教學(xué)目標(biāo)

2.1.1 知識目標(biāo)

了解分揀單元傳動系統(tǒng)的組成；了解變頻器的原理；理解G120C變頻器常見參數(shù)的作用；掌握S7-200 Smart系列PLC的模擬量輸入/輸出映像寄存器的應(yīng)用；掌握S7-200 Smart系列PLC模擬量擴(kuò)展模塊的組態(tài)步驟；掌握傳送指令、算術(shù)運算指令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令的應(yīng)用。

2.1.2 能力目標(biāo)

能根據(jù)控制要求進(jìn)行I/O分配和硬件接線圖設(shè)計；能完成PLC、模擬量擴(kuò)展模塊及變頻器三者之間的接線；會合理設(shè)置G120C變頻器的參數(shù)；會運用STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件組態(tài)模擬量擴(kuò)展模塊；能完成分揀單元變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試。

2.1.3 素質(zhì)目標(biāo)

具備自主學(xué)習(xí)能力、探究精神、邏輯思維能力和團(tuán)隊合作能力；貫徹維修電工國家標(biāo)準(zhǔn)的能力；逐步養(yǎng)成安全規(guī)范操作的習(xí)慣和精益求精的工匠精神。

2.2 具體實施

2.2.1 課前

1）任務(wù)下達(dá)。在智慧職教MOOC平臺公告區(qū)提前一周發(fā)布實操任務(wù)：完成分揀單元電動機(jī)的變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)電動機(jī)0~50 Hz內(nèi)任意運行頻率的正反轉(zhuǎn)控制。學(xué)生在平臺進(jìn)行任務(wù)的確認(rèn)。

2）學(xué)生學(xué)習(xí)教學(xué)資源。同學(xué)們在智慧職教MOOC平臺中學(xué)習(xí)分揀單元傳動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，模擬量輸入/輸出映像寄存器作用與尋址方式，變頻器的工作原理，G120C伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置，傳送指令、算術(shù)運算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令具體應(yīng)用，模擬量的組態(tài)等微教案、微視頻和闖關(guān)測試之類的資源。

教師通過智慧職教MOOC平臺的后臺數(shù)據(jù)，掌握同學(xué)們對課前資源的學(xué)習(xí)情況。同時，教師和同學(xué)們在討論區(qū)進(jìn)行討論，并結(jié)合闖關(guān)測試，發(fā)現(xiàn)同學(xué)們對于PLC的模擬量映像寄存器的值與模擬量對應(yīng)關(guān)系、G120C變頻器模擬量控制宏連接參數(shù)的含義存在較大的疑問。因此，將這兩個內(nèi)容定為本任務(wù)的難點。

2.2.2 課中

1）針對存在疑問的難點問題，進(jìn)行探究學(xué)習(xí)與討論。

①PLC的模擬量映像寄存器的值與模擬量對應(yīng)關(guān)系問題探究（20 min）。

在理實一體的實訓(xùn)室，根據(jù)資源中模擬量擴(kuò)展模塊接線和模擬量的系統(tǒng)塊組態(tài)這兩個實操視頻，4人為一組，完成模擬量擴(kuò)展模塊EM AM06的供電電源接線及STEP 7-MicroWIN SMART軟件中組態(tài)EM AM06模塊的模擬量輸出通道0的系統(tǒng)塊（其中，模擬量輸出的類型定為：電壓輸出，量程范圍設(shè)置為±10 V），并下載系統(tǒng)塊至PLC。然后用編程軟件的狀態(tài)圖表改變模擬量輸出AQW16的值，用萬用表檢查EM AM06第一個模擬量輸出通道的電壓值，列出兩者數(shù)據(jù)表，找到模擬量輸出映像寄存器的值與輸出模擬量電壓之間的對應(yīng)關(guān)系，最后教師與同學(xué)們通過討論，梳理PLC的模擬量映像寄存器的值與模擬量的值這兩者間的關(guān)系。

②G120C變頻器模擬量控制宏連接參數(shù)含義的探究（45 min）。

a.根據(jù)實操視頻，完成變頻器主電路的連接。根據(jù)參數(shù)設(shè)置視頻，將電動機(jī)參數(shù)寫入變頻器，并使變頻器處于手動運行模式，實現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)及變速運行的手動控制，對電動機(jī)的變頻控制進(jìn)行感性認(rèn)知。

b.根據(jù)提供的G120C宏功能介紹說明書，利用YL-335B自帶的電位器、按鈕盒完成G120C變頻器的宏連接參數(shù)值為12的硬件接線，并將宏連接參數(shù)設(shè)為12，保存參數(shù)。按下正反轉(zhuǎn)按鈕及手動調(diào)節(jié)電位器，觀察變頻器的運行情況。

c.不改變接線，分別將宏連接參數(shù)設(shè)為17和18，按下正反轉(zhuǎn)按鈕及調(diào)節(jié)電位器，觀察并總結(jié)這3種宏連接參數(shù)值的區(qū)別。

d.派代表來闡述3種宏連接參數(shù)值的區(qū)別，教師進(jìn)行總結(jié)。

通過上述環(huán)節(jié)的實操探究，攻克這兩個共性的難點問題。

2）進(jìn)入本任務(wù)的重點內(nèi)容，分揀單元電動機(jī)的模擬量變頻調(diào)速控制任務(wù)實施（160 min）。

①工藝分析。各小組確定分揀單元傳動方案和G120C變頻器具體參數(shù)。

②輸入輸出信號的確定，PLC型號的選擇。

③根據(jù)輸入輸出信號和PLC型號，進(jìn)行I/O分配。

④根據(jù)傳動方案和I/O分配表，完成硬件接線圖的設(shè)計。

⑤根據(jù)各小組設(shè)定的變頻器參數(shù)，編寫相應(yīng)的控制程序。

⑥小組分工完成控制系統(tǒng)的調(diào)試。1人負(fù)責(zé)用軟件編寫程序和下載程序，1人根據(jù)硬件接線圖完成硬件接線，1人負(fù)責(zé)變頻器參數(shù)設(shè)置，組長負(fù)責(zé)安全事項及根據(jù)貼在實訓(xùn)臺的工藝要求進(jìn)行工藝監(jiān)督。各人任務(wù)完成后進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化。最后，小組組長將變頻器參數(shù)、I/O分配表、硬件接線圖、運行視頻上傳至平臺。

⑦交叉互檢與評價（45 min）。將國家自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試賽項評分表中PLC相關(guān)內(nèi)容整理成評分表，各小組組長進(jìn)行交叉互檢，填寫評分表并上傳至平臺。其他成員整理成果，準(zhǔn)備成果展示材料，并完成組內(nèi)互評。之后進(jìn)行成果展示，評選出最優(yōu)小組。

2.2.3 課后

各小組采用角色互換的方式在開放的實訓(xùn)室完成訓(xùn)練，自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試賽項的成員負(fù)責(zé)安全與指導(dǎo)。并在平臺完成相應(yīng)知識的固化與拓展。

教師根據(jù)平臺數(shù)據(jù)、各小組提交的成果、評分表、互評表和成果展示成績進(jìn)行綜合評價。

2.2.4 在整個學(xué)習(xí)過程中，課程思政貫穿始終

課前資源的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣；遇到問題時的討論，注重溝通能力和探究精神的培養(yǎng)；在編程時，注意邏輯思維及多角度思考問題能力的培養(yǎng)；在硬件接線圖設(shè)計和接線時，貫徹國家的電氣設(shè)計與接線工藝標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)調(diào)試時，通過反復(fù)的運行測試培養(yǎng)同學(xué)們精益求精的工匠精神；項目的實施嚴(yán)格按照實訓(xùn)室的6S管理要求，培養(yǎng)職業(yè)意識和勞動精神；任務(wù)通過小組合作的方式完成，培養(yǎng)同學(xué)們的團(tuán)隊合作能力；在課后的知識拓展學(xué)習(xí)中，為終身學(xué)習(xí)習(xí)慣的培養(yǎng)助力。

3 總結(jié)

課題組以YL-335B自動化生產(chǎn)線為載體重構(gòu)了PLC課程教學(xué)內(nèi)容，將教學(xué)內(nèi)容與實際的智能制造控制技術(shù)緊密結(jié)合，順應(yīng)智能制造背景下制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級對PLC技能需求的變化。在課程組織結(jié)構(gòu)中，課前采用線上進(jìn)行理論知識學(xué)習(xí)的方式。在課中，盡量縮短由教師主導(dǎo)的純理論授課，采用學(xué)生自學(xué)自研的探究方式，完成難點的攻克；而后小組完成控制系統(tǒng)設(shè)計的實際操作，在實操過程中享受成功的喜悅感，增強(qiáng)自信心，激發(fā)求知欲。 課后，在開發(fā)的實訓(xùn)室完成任務(wù)的輪訓(xùn)，使其循序漸進(jìn)地掌握PLC技能，并利用平臺完成知識的遷移與拓展。

通過上述PLC課程改革實踐，湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生的工程實踐能力得到了大幅度的提升。利用PLC課中學(xué)的“伺服控制”“變頻控制”“觸摸屏”等知識技能完成的“CPS-智能立體汽車停車庫”項目獲得“挑戰(zhàn)杯——彩虹人生”全國職業(yè)學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)效創(chuàng)業(yè)大賽二等獎，“家用拖地小幫手”項目獲省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎的優(yōu)異成績。