基于CDIO的“PLC與組態(tài)監(jiān)控”綜合實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)

傅仁軒 陳啟明

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣州 510510)

“PLC技術(shù)”是高職電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化類專業(yè)的一門核心專業(yè)課，也是一門獨(dú)立的技術(shù)應(yīng)用課?！癙LC與組態(tài)監(jiān)控”綜合實(shí)訓(xùn)課程采用PLC技術(shù)與組態(tài)監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的方法，將PLC、組態(tài)監(jiān)控軟件、電機(jī)與電氣控制等多門技術(shù)綜合應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中，使學(xué)生深入理解實(shí)際生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，掌握PLC軟硬件設(shè)計(jì)方法、組態(tài)軟件設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用PLC技術(shù)和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行的能力。該課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作技能起著非常重要的作用，為學(xué)生日后參加工作奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

在現(xiàn)有的PLC教學(xué)與實(shí)踐中，為驗(yàn)證、觀察PLC指令的執(zhí)行過程，理解、掌握PLC知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的單任務(wù)的實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)者對(duì)PLC的教學(xué)模式及實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了改革與研究[1-4]，提供了可供借鑒的教學(xué)思路，雖然能從實(shí)驗(yàn)中理解PLC軟硬件的應(yīng)用，但未與真實(shí)的外部I/O設(shè)備連接，缺少綜合性的任務(wù)與實(shí)訓(xùn)課程，學(xué)生在實(shí)施項(xiàng)目時(shí)無法形成獨(dú)立完整的設(shè)計(jì)思路，難以滿足企業(yè)對(duì)復(fù)合型技術(shù)技能人才的需求。為更好地與工程結(jié)合，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，進(jìn)行設(shè)備選型、I/O容量計(jì)算和擴(kuò)展以及地址的分配，并增加對(duì)外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)接線等接近實(shí)際工程的實(shí)驗(yàn)過程。融合PLC技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將CDIO(Conceive，構(gòu)思；Design，設(shè)計(jì)；Implement，實(shí)現(xiàn)；Operate，運(yùn)作)[5-8]工程教育理念應(yīng)用到“PLC與組態(tài)監(jiān)控”課程的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，CDIO模式與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，主要采用“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”(Project based education and learning簡稱PBL)的教育教學(xué)方法，構(gòu)建課程和實(shí)踐之間的有機(jī)聯(lián)系，使學(xué)生能以體驗(yàn)的方式主動(dòng)地學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)[9-10]，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐過程中分析問題、解決問題的能力。

1 適用于CDIO的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目構(gòu)建

綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目是學(xué)生完成相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，為綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，提升專業(yè)技能而設(shè)置。構(gòu)建CDIO模式下的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目應(yīng)具有可行性、工程實(shí)用性、綜合性等特性?！翱尚行浴敝疙?xiàng)目內(nèi)容應(yīng)符合課程標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)上可行，工程上能實(shí)現(xiàn)，符合實(shí)踐教學(xué)要求；“工程實(shí)用性”指項(xiàng)目應(yīng)來源于實(shí)際生產(chǎn)，有具體的應(yīng)用環(huán)境，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值,符合工程應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)在“做中學(xué)”“用中學(xué)”；“綜合性”指項(xiàng)目的主要技術(shù)涵蓋多門課程的重要知識(shí)點(diǎn)，包括PLC控制、通信、組態(tài)監(jiān)控等技術(shù), 符合解決復(fù)雜工程問題的能力[11-12]要求。

基于“PLC與組態(tài)監(jiān)控”[13]課程中應(yīng)掌握的PLC、數(shù)據(jù)采集、通信、組態(tài)、監(jiān)控等核心知識(shí), 針對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域提出CDIO模式的監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。教師以工程設(shè)計(jì)任務(wù)的方式發(fā)布實(shí)訓(xùn)任務(wù),明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)功能要求及目標(biāo)，不提供具體實(shí)施方案，引導(dǎo)學(xué)生分析項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作，要求學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，將理論知識(shí)應(yīng)用于項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中，依據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用完成方案設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中主動(dòng)尋求解決問題的方法，并在實(shí)訓(xùn)設(shè)備上完成系統(tǒng)的實(shí)施、測試與運(yùn)行。

2 基于CDIO的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目構(gòu)思

基于以下四個(gè)目標(biāo)，進(jìn)行項(xiàng)目構(gòu)思：

突出工學(xué)結(jié)合的教育理念：將PLC技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)融入工程項(xiàng)目中，在項(xiàng)目中理解數(shù)據(jù)采集技術(shù)，掌握PLC與輸入輸出設(shè)備的連接方法，學(xué)習(xí)設(shè)備之間的通信技術(shù)。

增強(qiáng)工程應(yīng)用能力：PLC是一種控制器，只有接入生產(chǎn)現(xiàn)場的I/O設(shè)備才能組成一個(gè)實(shí)用的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。利用組態(tài)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的操作、控制及結(jié)果展示，在過程中理解、掌握控制系統(tǒng)工程的組成。

提升實(shí)訓(xùn)效果：利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)圖形動(dòng)畫、模擬PLC的控制對(duì)象，檢驗(yàn)PLC程序的正確性，增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)課的教學(xué)效果。

提高綜合技能：通過實(shí)施數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)掌握PLC技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，提高綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。

項(xiàng)目名稱：監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

目標(biāo)任務(wù)如下：

(1)按給定的硬件/軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，這些軟硬件包括組態(tài)軟件、觸摸屏、PLC控制器及I/O擴(kuò)展模塊、14個(gè)按鈕、10個(gè)指示燈、溫度傳感器、變頻器、電動(dòng)機(jī)等；

(2)完成硬件系統(tǒng)的電路連接，網(wǎng)絡(luò)連接；

(3)在觸摸屏上繪制啟動(dòng)進(jìn)入、數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備控制、溫度控制、電動(dòng)機(jī)速度控制共五個(gè)組態(tài)界面；

(4)編寫PLC程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制及與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信；

(5)模擬仿真溫度的變化，根據(jù)溫度值控制電動(dòng)機(jī)的速度。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考、分析項(xiàng)目的應(yīng)用需求和涉及的主要技術(shù)，以項(xiàng)目小組為單位進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行。

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的要求，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖

項(xiàng)目設(shè)計(jì)包括以下四個(gè)方面：

數(shù)據(jù)采集接口的設(shè)計(jì)：PLC選擇具有profinet通信接口的S7-1214，自帶14個(gè)數(shù)字量輸入接口，10個(gè)數(shù)字量輸出接口，擴(kuò)展模擬量輸入模塊1個(gè)。其中數(shù)字量輸入接口連接開關(guān)或按鈕；數(shù)字量輸出接口連接輸出設(shè)備，如繼電器線圈或指示燈；模擬量輸入接口連接4～20 mA或1～5 V的模擬量，如溫度變送器等模擬量。

組態(tài)界面的設(shè)計(jì)：利用組態(tài)軟件在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)組態(tài)界面，下載到觸摸屏運(yùn)行。通過組態(tài)界面實(shí)現(xiàn)監(jiān)測PLC及I/O設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及控制PLC。

通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)：計(jì)算機(jī)、觸摸屏、PLC控制器、變頻器通過以太網(wǎng)交換機(jī)互聯(lián)，計(jì)算機(jī)通過西門子博圖軟件實(shí)現(xiàn)PLC硬件組態(tài)、通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、程序編寫、下載PLC程序，計(jì)算機(jī)通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)組態(tài)界面、通信組態(tài)、編寫腳本、下載觸摸屏程序。

變頻控制的設(shè)計(jì)：變頻器通過以太網(wǎng)接口連接交換機(jī)，計(jì)算機(jī)通過西門子博圖軟件進(jìn)行參數(shù)組態(tài)并下載到變頻器，PLC通過網(wǎng)絡(luò)接口控制變頻器的頻率，變頻器的輸出連接電動(dòng)機(jī)。

2.3 項(xiàng)目實(shí)施

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施并進(jìn)行單元調(diào)試。

項(xiàng)目管理，實(shí)訓(xùn)周期為1周，每個(gè)項(xiàng)目小組由3～4人組成，其中1人為組長，全面負(fù)責(zé)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行。組員按工作任務(wù)進(jìn)行分工，主要任務(wù)包括：組態(tài)界面設(shè)計(jì)，PLC程序設(shè)計(jì)，通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，系統(tǒng)硬件搭建及線路連接，調(diào)試運(yùn)行等。項(xiàng)目實(shí)施流程如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目實(shí)施流程

組態(tài)監(jiān)控軟件界面設(shè)計(jì)，利用組態(tài)監(jiān)控軟件在觸摸屏上設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)參數(shù)組態(tài)、數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)控和模擬調(diào)試等功能，完成人與控制系統(tǒng)的信息交換。

啟動(dòng)進(jìn)入界面，繪制啟動(dòng)界面，如設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目名稱、組員姓名、啟動(dòng)按鈕等。

設(shè)備控制界面，用按鈕控制10個(gè)數(shù)字量輸入通道的開/關(guān)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。PLC根據(jù)讀取的數(shù)字量數(shù)據(jù)和模擬量數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析、處理和判斷，從而得出輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出接口的繼電器或指示燈動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的自動(dòng)控制。

數(shù)據(jù)顯示界面，PLC讀取數(shù)字量輸入接口DI1～DI14的數(shù)據(jù)、模擬量AI1的數(shù)據(jù)、變頻器的頻率，完成數(shù)據(jù)采集功能。在觸摸屏上顯示14個(gè)數(shù)字量輸入通道的開/關(guān)狀態(tài)，如溫度、變頻器頻率、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等模擬量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

溫度控制界面，利用操作人員的手觸摸溫度傳感器頭部實(shí)現(xiàn)溫度變化，根據(jù)溫度值的大小，PLC輸出指令給變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)按給定的速度運(yùn)行。比如當(dāng)溫度值≥30 ℃時(shí)，PLC通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行；當(dāng)溫度值≤25 ℃時(shí)，PLC通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)中速運(yùn)行；當(dāng)溫度值≤20 ℃時(shí)，PLC通過變頻器控制電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行。

變頻控制界面，改變變頻器的頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)速度。

通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)、觸摸屏、PLC、變頻器之間通過交換機(jī)連接實(shí)現(xiàn)相互之間的以太網(wǎng)通信。

2.4 項(xiàng)目運(yùn)行及評(píng)價(jià)

項(xiàng)目軟硬件實(shí)施后進(jìn)行項(xiàng)目運(yùn)行，在實(shí)訓(xùn)設(shè)備上進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件的綜合測試，完成設(shè)計(jì)任務(wù)要求的系統(tǒng)功能，并進(jìn)行項(xiàng)目評(píng)價(jià)。

項(xiàng)目運(yùn)行，設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能、系統(tǒng)功能的驗(yàn)證清單，記錄運(yùn)行過程數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊觸摸屏啟動(dòng)界面，觀察系統(tǒng)運(yùn)行過程，進(jìn)入每一個(gè)組態(tài)界面，檢查數(shù)據(jù)顯示及設(shè)備控制的正確性，對(duì)有錯(cuò)誤的軟硬件進(jìn)行修正，無誤后繪制出硬件系統(tǒng)的電氣接線圖和通信網(wǎng)絡(luò)圖、PLC的I/O分配表和參數(shù)地址表，并保存軟件的工程文件。

項(xiàng)目評(píng)價(jià)，每組學(xué)生均承擔(dān)了工程性較強(qiáng)的任務(wù)，采用考核內(nèi)容與考核方式相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式?？己藘?nèi)容包括匯報(bào)、演示、實(shí)訓(xùn)報(bào)告、答辯等，考核方式包括自評(píng)、互評(píng)、教師評(píng)價(jià)等方式。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括實(shí)訓(xùn)任務(wù)完成情況、性能與功能完成情況、實(shí)操能力、解決問題能力、自學(xué)能力、溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、創(chuàng)新能力等。

項(xiàng)目總結(jié)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的構(gòu)思、技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，撰寫項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告，對(duì)設(shè)計(jì)方案、軟硬件實(shí)施進(jìn)行評(píng)估，總結(jié)優(yōu)勢，找出不足，以促進(jìn)項(xiàng)目的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化。教師應(yīng)密切關(guān)注評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化，調(diào)整各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到高質(zhì)量的教學(xué)效果。

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中，通過項(xiàng)目構(gòu)思、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施以及項(xiàng)目運(yùn)行等環(huán)節(jié)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題能力、工程應(yīng)用能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)。

3 結(jié)語

基于 CDIO 模式的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，以教師為引導(dǎo)，以完成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的學(xué)生為主體，以貼近生產(chǎn)現(xiàn)場的工程實(shí)訓(xùn)任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，把PLC技術(shù)和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)融入實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中。結(jié)果表明，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)合理，縮短了理論知識(shí)與實(shí)際工作的距離，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)了其工程設(shè)計(jì)能力和綜合實(shí)踐能力，提升了PLC實(shí)訓(xùn)課的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)了畢業(yè)能上崗的復(fù)合型技術(shù)技能人才的培養(yǎng)目標(biāo)。