機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)①

田小濤

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 河南焦作 454000)

高等職業(yè)院校的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)面向生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)和管理第一線需要的高技能人才，在我國加快推進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中具有不可替代的作用，因此我們要在機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)教學(xué)中突出職業(yè)教育需求。本文以工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用為依據(jù)，選取典型控制環(huán)節(jié)，對機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)核心技能訓(xùn)練進(jìn)行了一個(gè)基于職業(yè)能力培養(yǎng)為目標(biāo)的項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套實(shí)訓(xùn)裝置。實(shí)訓(xùn)裝置主要由分揀模型、安全保護(hù)系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)、電氣動系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、觸摸屏控制監(jiān)測系統(tǒng)組成。該項(xiàng)目化設(shè)計(jì)方案的目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用PLC、變頻器、HMI等專業(yè)核心技能，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)需要構(gòu)建機(jī)電一體化系統(tǒng)、安裝、編程、調(diào)試等解決工程實(shí)際問題的能力。該實(shí)訓(xùn)模型與當(dāng)今工廠生產(chǎn)一線實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，非常適合當(dāng)今職業(yè)教育教學(xué)改革對工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。本項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)不僅相對節(jié)約成本，而且能夠讓學(xué)生清晰認(rèn)識理解PLC控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、實(shí)施到調(diào)試的全過程，能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，還能夠全方位地培養(yǎng)學(xué)生的安全意識、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)核心技能和創(chuàng)新能力。

1 實(shí)訓(xùn)裝置方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 安全保護(hù)系統(tǒng)原理圖

為了突出職業(yè)教育特色，全面培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)核心技能和創(chuàng)新能力，實(shí)訓(xùn)裝置由生產(chǎn)線分揀模型、安全保護(hù)系統(tǒng)、PLC 電氣控制系統(tǒng)、電氣動系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、觸摸屏控制監(jiān)測系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

（1）分揀模型。設(shè)計(jì)制作了生產(chǎn)線分揀模型，以該模型作為PLC控制系統(tǒng)的控制對象，包括料筒、推料氣缸、滑道、底座、輸送帶等基本部件。工作過程包括：推料氣缸將料筒里面的物料根據(jù)控制要求按照手動自動工作方式推入滑道，物料經(jīng)過滑道時(shí)傳感器進(jìn)行材質(zhì)識別和計(jì)數(shù)，物料通過滑道進(jìn)入傳送帶，傳送帶監(jiān)測到物料后驅(qū)動變頻器控制三相異步電動機(jī)將物料運(yùn)送到指定位置。

（2）安全保護(hù)系統(tǒng)。在電動機(jī)回路和PLC電源回路均設(shè)有低壓斷路器，能夠有效地起到短路保護(hù)和過載保護(hù)。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，控制系統(tǒng)采用皮爾茲安全繼電器進(jìn)行防護(hù)。安全繼電器的作用是當(dāng)設(shè)備突然出現(xiàn)故障時(shí)，在故障未消除或故障未確認(rèn)前，設(shè)備是無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)的，以此防止設(shè)備故障后突然運(yùn)行給人身和設(shè)備帶來的危險(xiǎn)。

（3）PLC電氣控制系統(tǒng)。PLC采用西門子S7-200 smart系列經(jīng)濟(jì)版，性價(jià)比高，足夠日后項(xiàng)目升級擴(kuò)展使用，安裝在控制柜內(nèi)；控制柜內(nèi)還有安全繼電器、開關(guān)電源、繼電器、變頻器、低壓斷路器、接線端子等。操作指示面板包含觸摸屏、急停開關(guān)、急停開關(guān)復(fù)位、系統(tǒng)運(yùn)行總開關(guān)、運(yùn)行狀態(tài)指示燈、點(diǎn)動自動操作選擇開關(guān)、點(diǎn)動自動運(yùn)行開關(guān)、氣缸伸出帶指示燈開關(guān)、氣缸縮回帶指示燈開關(guān)、壓力指示燈、初始位置指示燈。PLC根據(jù)控制要求，檢測分揀裝置的工作狀態(tài)及傳送帶的運(yùn)行速度，利用變頻器實(shí)現(xiàn)傳送帶的運(yùn)行速度控制。系統(tǒng)具有自動循環(huán)、手動操作工作方式，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)試與運(yùn)行狀態(tài)。

（4）電氣動系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)主要由氣動三聯(lián)件、三通、壓力開關(guān)、主閥、節(jié)流閥、氣缸等組成。為推料氣缸的正常工作提供控制和動力，當(dāng)壓力低于3bar時(shí)，壓力開關(guān)斷開，并給PLC發(fā)送控制信號停止控制系統(tǒng)工作，當(dāng)壓力高于3bar時(shí)，控制系統(tǒng)才能正常工作。

（5）變頻調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速設(shè)備采用的是西門子公司的G120C變頻器，該變頻器成本低廉簡單易用。根據(jù)訓(xùn)練要求應(yīng)用PLC發(fā)送控制信號給變頻器，可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、多段速控制等功能，能夠滿足職業(yè)院校學(xué)生掌握變頻器應(yīng)用技能的要求。同時(shí)使用編碼器實(shí)現(xiàn)對三相異步電動機(jī)速度的監(jiān)測和控制。

（6）觸摸屏控制監(jiān)測系統(tǒng)。利用觸摸屏監(jiān)測控制生產(chǎn)線分揀實(shí)訓(xùn)裝置的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，以按鈕動畫指示、狀態(tài)曲線、和工作數(shù)據(jù)圖表的方式展示出來，既能用觸摸屏進(jìn)行控制實(shí)訓(xùn)裝置進(jìn)行工作，也能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)數(shù)據(jù)指示。

2 安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，本設(shè)計(jì)采用皮爾茲安全繼電器PNOZ X3進(jìn)行雙通道的安全防護(hù)，急停按鈕S1采用雙通道設(shè)計(jì)，任何一個(gè)通道故障，設(shè)備均無法運(yùn)行；復(fù)位按鈕S2回路與控制電機(jī)運(yùn)行的接觸器KM1、KM2的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)，保證系統(tǒng)復(fù)位功能在設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)失效。安全保護(hù)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

3 PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用西門子PLC CPU CR60作為主控單元，根據(jù)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能，PLC的輸入點(diǎn)包括自動/手動切換、用來檢測速度的編碼器信號、位置檢測信號等，輸出點(diǎn)包括對變頻器的控制信號、運(yùn)動狀態(tài)的指示信號等。PLC的接線圖如圖3所示。

4 電氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣動系統(tǒng)主要由一個(gè)二位三通電磁閥、一個(gè)二位五通電電磁閥、兩個(gè)單向節(jié)流閥、一個(gè)壓力開關(guān)和一個(gè)雙作用氣缸組成，工具工作要求是用PLC控制雙作用氣缸在手動和自動狀態(tài)下伸出和縮回完成推送分揀物料的任務(wù)，電氣動系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)原理圖

圖4 電氣動系統(tǒng)原理圖

圖5 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

5 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動運(yùn)行、正反轉(zhuǎn)或者多段速工作狀態(tài)，從而模擬生產(chǎn)線的實(shí)際運(yùn)行情況。本系統(tǒng)選用的是西門子公司的變頻器個(gè)G120C，該變頻器設(shè)置簡單，可快速讓學(xué)生掌握利用PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)以上工作狀態(tài)或功能要求，變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖如圖5所示。

6 觸摸屏控制監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用北京昆侖通態(tài)TPC1061Ti觸摸屏，該觸屏采用了10英寸高亮度TFT液晶顯示屏并帶有以太網(wǎng)端口。本設(shè)計(jì)中觸屏與PLC采用網(wǎng)線直接連接，操作方便，連接簡潔，既能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能，也可以通過觸屏對系統(tǒng)進(jìn)行控制操作。

7 項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施過程

本項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)按照“任務(wù)引領(lǐng)、項(xiàng)目驅(qū)動”的思想對學(xué)生開展實(shí)訓(xùn)教學(xué),該項(xiàng)目化教學(xué)在高職教育的最后一個(gè)學(xué)期開展，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)完成所有專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，本項(xiàng)目化教學(xué)圍繞完成一個(gè)具體的工程項(xiàng)目來考查、鞏固所學(xué)的專業(yè)知識，從任務(wù)與職業(yè)能力出發(fā)，設(shè)定職業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)，以實(shí)際的項(xiàng)目為載體，培養(yǎng)學(xué)生時(shí)實(shí)踐動手能力。在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)過程中，教師不再直接參與到教學(xué)活動中，而是對學(xué)生進(jìn)行綱領(lǐng)性的引導(dǎo)只要保證學(xué)生的實(shí)踐方向符合課程的要求，放開手讓學(xué)生自己去面對各種各祥的問題，每項(xiàng)任務(wù)的完成，需要學(xué)生分組解決各方面的問題，自己動手查閱資料，在實(shí)際的操作與檢驗(yàn)中，能夠使學(xué)生對暴露的問題有更深刻的認(rèn)識和理解。

8 結(jié)語

本項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)方案集合了PLC控制技術(shù)、變頻器控制技術(shù)、觸摸屏控制技術(shù)、氣動控制技術(shù)、電氣安全保護(hù)等專業(yè)知識和技能，是機(jī)電一體化專業(yè)的綜合性項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施方案，與工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，突出了當(dāng)前職業(yè)教育特色，符合國家培養(yǎng)高技能人才的需求。同時(shí)，該項(xiàng)目化設(shè)計(jì)需要配合“提出問題—討論計(jì)劃—學(xué)生決策—方案實(shí)施—學(xué)生自查—教師評估”的六步教學(xué)法，教師積極引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考問題、解決問題，充分調(diào)動發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新能力。該項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)方案自2013年在我院實(shí)施以來，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性顯著提高，教學(xué)效果明顯提升，不僅讓學(xué)生又好又快地掌握專業(yè)知識，又培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。