項目教學法在可編程控制器教學中的應用與實踐

李躍華

（深圳技師學院 廣東 深圳 518120）

項目教學法在可編程控制器教學中的應用與實踐

李躍華

（深圳技師學院 廣東 深圳 518120）

項目教學法的特點是把整個學習過程分解為一個個具體的項目或事件，同時設計出一個個項目教學方案，不僅傳授給學生理論知識和操作技能，更將職業角色融入日常教學中，培養學生的職業能力。本文以三菱可編程控制器（簡稱PLC）在教學中的應用與實踐為例展開論述，著重說明了項目教學法在電氣控制類專業教學實踐中的應用既可充分貫徹職業教育任務引領的項目課程改革的要求，也可化整為零，將實例中的硬件和軟件梳理后分為若干項目，描述了在課程改革實踐中收到的效果，為工業自動化控制提供了教學實例。

項目教學法；可編程控制器；模擬電梯；集選控制；PG矢量控制

伴隨著技工院校“任務引領的項目課程”改革進程的不斷推進，項目教學法引起了職教界空前的關注，近些年來更是得到大力推廣。項目教學法在傳統的電氣控制類專業中得到應用，顯得尤為重要。為更好地適應社會對技能人才之需求，我校電氣工程系與深圳雅鹿新技術公司共同開發了四臺模擬電梯教學系統。該系統以PLC為控制核心，采用安川變頻器實現帶PG矢量控制驅動。其控制方式是對外部呼叫信號以及轎內指令信號進行綜合處理后，采用順序控制結合邏輯控制規律運行，可看成是一個人機交互式的集選控制系統。

項目教學法在硬件系統方面的設計與應用

（一）硬件系統的分項目設計

該模擬梯為四層四站，主要由電梯井道裝置、控制柜、交流變頻門機組成。其中，井道高2.2m，1～4層每層高0.5m，頂層端站高0.7m，底坑深0.3m。曳引系統設置在模擬井道正上方。

圖1 電梯控制系統原理圖

該控制系統的硬件配置如圖l所示，其總體情況如下：FX2N－80MR型PLC為控制系統的核心，在具體教學實踐中，可根據需要，加裝串聯通訊模板，實現兩臺梯的并聯控制。這里以單臺模擬電梯的集選功能（自動掌握停站時間、自動應答電梯轎廂內指令及廳外召喚，是自動化程度相對較高的控制方式）為控制目標。（1）門鎖和安全保護回路是電梯重要的組成部分，關系到設備、乘客及維保人員的生命安全。根據國家標準，門鎖回路主要由各層廳門門鎖驗證開關和轎門門鎖驗證開關以及并聯的2個繼電器組成。安全保護回路主要由電梯設備中的各個安全部件的驗證開關及并聯的2個繼電器組成。門鎖回路和安全保護回路將開關量信號輸入到PLC，如果這兩個回路有故障，可保證電梯不能運行。（2）轎廂通過隨行線纜把4個轎內選層按鈕信號和開關門按鈕控制信號以開關量的形式輸入到主PLC。轎廂稱重系統分為空載、滿載、超載三個類別，它們也以開關量信號的形式輸入到主PLC。轎廂平層信號由轎廂頂上的三個感應器組成，用以完成電梯平層功能。電梯井道保護裝置主要由井道上下強迫換速、限位、極限開關組成。其中，強迫換速和限位信號送到PLC輸入端，極限開關串聯在安全回路中。（3）廳外召喚信號從4個層站把6個召喚信號傳輸到主PLC，分別是1～3層樓上召按鈕信號和2～4層樓的下召按鈕信號。（4）變頻器與PLC采用雙向通訊，即PLC將曳引電動機上、下行控制信號及多段速控制信號送至變頻器，變頻器通過電動機執行為轎廂的位移控制；電動機將位移量通過旋轉編碼器的脈沖數傳遞給變頻器TA1端，再經變頻器分頻后（一般設定分頻比為1∶1）送入PLC的高速計數端X0進行計數，通過PLC內部程序獲取電梯層樓信號，實現轎廂位置的閉環控制。（5）變頻門機為交流變頻門機。其特點是與主PLC之間的控制連接實現了項目模塊化，來自轎廂內的開關門信號或者來自廳外的本層開門信號將開關門指令輸入到PLC，PLC經控制程序運算后輸出為開關門控制信號，對交流變頻門機進行開門和關門控制。變頻門機只把檢測轎廂門狀態的開門到位、關門到位兩個信號傳送到PLC輸入端，而像其他開門、關門減速、力矩保持等復雜控制均由變頻門機自身獨立完成。（6）模擬梯顯示部分采用LED發光管，共配置了轎內與外召指令燈指示、轎廂運行方向及樓層數位置顯示。為了體現模塊化的教學思路，將顯示也分類并歸到相關的控制電路中。例如，轎內指令按鈕顯示與轎內指令登記、消除合并為一個模塊。

（二）硬件系統在教學實踐中的分項目實施

教育心理學的認知規律告訴我們，學生在學習過程中總是由淺到深地獲得知識和技能，因此，我們在PLC實踐教學中采用化整為零的方式，將硬件部分分解為8個項目進行教學和實訓，明確硬件范圍，每個項目獨立設置硬件學習目標，單獨進行項目考核評估。當學完8個硬件項目后，學生基本掌握了電梯的工作原理和結構硬件，達到了項目教學目標。采用這種分項目實施，化整為零漸進式的教學方法，避免了過去教學中什么都講，什么都不精，“眉毛胡子一把抓”的現象。同時，分項目的教學實施和評估也能對參與項目學習的學生進行及時的評估和檢查，提高學生的學習積極性，加強教師對學生學習進程的把握。

項目教學法在PLC編程方面的教學設計與實施

（一）軟件系統項目設計

在教學進程中，當學生初步掌握了電梯的硬件結構后，接下來就是圍繞控制程序進行教學設計了。以往的教學模式是把整個程序從前到后分段講授，授課過程中程序之間缺乏明顯的功能區分，且邏輯上前后交織，學生往往感到無從下手。筆者根據近年的教學體會認為教師在教學過程中應該真正起到主導作用，尤其要善于把知識技能歸納梳理，化繁為簡傳授給學生。如何將復雜交織的程序部分簡化呢？筆者根據項目教學法的設計思路，在教學實踐中對繁復的高達近千步的PLC程序進行分類區別，提煉出各個相對獨立的項目來實施。對于較為復雜的項目，可下設細化的各級子項目，分步實施。每一項目獨立完成一個既定的功能，各項目之間又相互呼應，緊密聯系成為一體。圖2所示的程序流程圖是各個一項目級之間的關系。

一級項目的設計 根據電梯控制要求，可將電梯集選控制、檢修控制、消防控制這三類控制方式設置為一級項目，其中，檢修控制優先級最高，其次是消防控制，優先級最低的為集選控制。從控制復雜度來說，集選控制難度最大，消防次之，檢修控制難度則最低，這里重點以集選控制項目為例，展開論述。

二級項目的設計 根據集選電梯工作流程，將不同的功能分為獨立的項目開展實

施。項目之間緊密聯系，層層遞進，各個項目也可看成是完成總體功能的“子項目”，前面的項目是完成后續項目的基礎，但又相對獨立。現對集選控制項目的分項目分別介紹如下：分項目一：電梯層樓位置獲取和顯示。該項目是整個集選控制程序最基礎的部分，基本思路是把變頻器送到PLC高速計數端X0的脈沖數進行累計 （設轎廂上行作加計數，下行作減計數），并根據當前計數值，判斷轎廂位置，繼而驅動相應的層樓輔助繼電器，實現層樓位置的顯示。分項目二：內選登記、銷號及顯示。該模塊將內選指令的登記、銷號與顯示采用一體化處理方式，起到了簡潔直觀的效果。分項目三：外召登記、銷號及顯示模塊。該模塊在設計上與內選模塊平行，體現了他們在控制原理上的平等性，而其具體的優先級只能在其他程序模塊調用過程中才能體現。分項目四：邏輯定向模塊。在以往的教學中，該部分程序往往是學生較難理解和掌握的部分，整個程序邏輯互為交織，十分繁瑣。為此，筆者在教學實踐中，將廳外召喚信號和轎內信號組合后形成選層模塊，直接供定向模塊調用，簡化了程序，大大增加了可讀性，取得了十分滿意的教學效果。分項目五：開關門控制模塊，如圖4所示。變頻門機開關門控制模塊又可細分為開門控制模塊和關門控制模塊（二級）；其中，開門控制模塊又分為平層后自動開門、按開門按鈕開門、本層廳外開門模塊（三級）；而本層廳外開門模塊又可分為無向任意外召按鈕開門、有向順向按鈕開門模塊（四級）。如此一來該模塊的控制思路變得十分清晰，在教學中，學生的學習興趣越來越濃，學習積極性明顯提高。分項目六：電梯拖動運行模塊。在電梯具備前述各模塊功能后，就涉及轎廂的運行，該模塊的主要功能包括以下幾個控制階段：第一，啟動。電梯定向完畢，門聯鎖閉合、安全回路正常，變頻器多段速指令1（多功能端子S5）、多段速指令2（多功能端子S6）同時接通，變頻器按照預先設定的曲線如圖5中OA段啟動運行，最高頻率設為30Hz（功能端子可根據用戶需要自行設定其功能）。第二，勻速運行。啟動完畢進入勻速運行，以30Hz頻率運行，如圖5中AB段。第三，換速。當電梯達到換速點（如圖5中B點），換速信號被觸發后，多段速指令2（多功能端子S6）斷開，只有多段速指令1（S5）繼續接通，變頻器驅動電動機按照曲線BC段運行，最后到達10Hz頻率慢速爬行CD段。第四，平層停車。當轎廂慢速爬行至平層點D時，多段速指令1（多功能端子S5）斷開，主電路曳引機電源斷開，電磁制動器合閘，電梯平層停車，轎廂按照DE段掣停。

圖5 電梯拖動運行速度曲線圖

圖2 一級項目的設置圖

圖3 二級項目（集選控制）設計圖

圖4 開關門控制項目的二、三、四級分項目的設置圖

（二）軟件系統在教學實踐中的分項目應用

經過近年的實踐教學，筆者認為技工類學校在突出技能訓練的同時，也不能忽視學生興趣的培養。為此，筆者突破傳統的按部就班的教學模式，在實訓一開始就先編制一個點動控制程序，使模擬梯先走起來。例如，電梯樓層的顯示模塊教學，轎廂如果先簡單走起來，就可動態交替顯示，從一開始就將實訓效果展示給學生，大大增強了課程的生動直觀性，學生所學技能立刻得到校驗，在實踐中極大激發了他們學習技能的興趣。在此簡單的拖動程序的基礎上，可以完成電梯位置獲取和顯示，轎廂內選信號登記、消除及顯示，廳外召喚信號登記、消除及顯示，綜合邏輯定向等任務。當上述項目完成后，再來編制標準的拖動程序。此時雖然復雜，但學生興趣濃厚且編程能力已達到一定水準，在教師的指導下，實現整個電梯的集選控制過程較為順利。這種以分項目教學思想為指導，以激發學生學習興趣為突破口，從簡單到復雜的教學思路，在實踐教學中得到了學生的一致好評和學校督導組的表揚。

本系統運行情況良好，系統的各項控制均已達到要求，大大促進了教學和社會化培訓水平。同時，這套系統將來可用于實驗教學，是“自動控制系統”實驗教學的一個生動案例。因此，該系統具有一定的推廣意義。

[1]馬慶發.當代職業教育新論[M].上海：上海教育出版社，2002.

[2]徐國慶，石偉平.21世紀世界職業技術教育發展的課題與展望[J].外國教育資料，2000，（6）.

[3]張漢杰，等.現代電梯控制技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1996.

□有話職說

裝飾對于德行也同樣是格格不入的，因為德行是靈魂的力量和生氣。

——盧梭

G712

A

1672-5727（2011）05-0099-02

李躍華（1976—），男，內蒙古錫林郭勒人，深圳技師學院講師，研究方向為電工電子及物業機電。