基于CDIO模式的電氣控制及PLC原理課程設計研究

竇新宇

(唐山學院 智能與信息工程學院， 河北 唐山 063000)

0 引言

CDIO工程教育理念是近年來國際工程教育改革的熱點研究成果之一，其核心是以工程產品的全壽命周期為載體包括產品從設計到運行的全過程，讓學生以互動的、可操作性的、實踐的、成果之間有機聯系的方式學習理論知識、工程技術與實踐經驗[1]。適用于CDIO項目式課程設計的教材少之又少。自動化專業在試點班級進行核心課程實踐教學環節改革，課程設計實行“做中學”“學中做”“教、學、做一體化”的課程設計模式，根據課程設計教學目標及課程設計標準要求安排若干個課程設計項目。學生每4～5人構成一個課程設計項目團隊，在項目實施過程中，學生以團隊內合作、團隊間協作加競爭的方式進行自主探究式學習，教師僅起到指導答疑的作用，促使學生完成構思、設計、實現和運行(CDIO)的全過程。每組同學在項目完成后都要向全班做匯報，老師、同學根據其完成情況進行評價。在CDIO的基礎上，課程設計培養學生的核心技術和工程倫理道德，突出學生綜合技能的提升，使學生具有家國情懷、工程倫理、大國工匠精神的社會主義合格應用型技術人才。

1 自動倉儲的PLC控制項目

1.1 項目引入

隨著社會經濟和計算機、自動化技術的快速發展，作為物流業關鍵節點的倉儲系統已經從原始的人工倉儲逐步向先進的自動倉儲發展，并呈現出自動化、集成化、智能化的特點。

目前自動化立體倉庫在發達國家已經較為普遍, 日本是自動化倉庫發展最為迅速、數量最多的國家，此外美國、德國等國家也建造了許多自動化倉庫發展至今，自動化倉庫在設計、制造、自動化控制等方面的技術已經日趨成熟，采用合理的自動化控制系統加快了運行和處理速度, 降低了操作人員的勞動強度, 提高了勞動生產率。

1.2 項目目標

項目目標具體包括專業知識目標和課程思政目標。專業知識目標：掌握根據實際要求設計PLC外圍電路的方法；會根據實際控制要求設計簡單的梯形圖；掌握PLC控制電動機正反轉與繼電器-接觸器控制正反轉的區別。課程思政目標：培養學生工程倫理精神；訓練學生的實際動手能力、培養學生工藝意識、標準意識、質量意識，達到初步的CDIO工程項目的實踐能力。

1.3 項目考核要求

根據要求選擇硬件、畫出PLC外部接線圖；掌握PLC控制電機正反轉的編程技巧和設計方法；獨立完成整機安裝及調試過程；根據系統調試出現的典型故障狀況，修改相關設計；完成倉儲運貨小車自動往返PLC控制電路設計。

1.4 CDIO項目實施

構思(C)：項目構思與任務分解，學習相關知識，制定出工作計劃及工藝流程；設計(D)：學生分組設計項目方案；實現(I)：繪圖，元器件安裝與布線；運行(O)：調試運行與項目評價。

2 CDIO項目實施分解

2.1 項目構思

根據現代化、智能化物流要求，可靠性高、運營便捷高效的自動倉儲系統需求市場前景廣闊。首先，教師下發項目詳單，布置項目需要完成的任務及控制要求，介紹項目的應用情況，進行項目分析，引導學生分析PLC對電動機的控制要求；其次，引導學生完成項目所需知識、能力培養及軟硬件準備工作；第三，提示學生項目所涉及PLC運行控制的指令、工作原理，講解編程軟件的相關知識；第四，學生進行小組分工，明確項目工作任務，小組成員討論項目如何實施，進行任務分解，學習完成項目所需的知識，查找自動倉儲方面的PLC控制資料，制定項目實施計劃，確定工藝流程。

2.1.1 自動倉儲的PLC控制項目分析

某送料小車3點自動往返控制原理及要求如下：(1)按下SB1(啟動按鈕)，送料小車電機M開始正轉代表向前運動；當送料小車碰到SQ1(限位開關)后， M開始反轉代表向后倒退。(2)送料小車后退直到碰到SQ2(限位開關)后， M停止轉動，靜止時間為5 s。送料小車第二次前進直到碰觸SQ3(限位開關)，其第二次向后倒退。(3)當第二次向后倒退碰到SQ2時，送料小車停止運行，延時10 s后重復上述動作[2]。

2.1.2 自動倉儲的PLC控制相關知識

PLC編程相關知識主要包括程序控制類指令和中斷處理類指令。

2.2 項目設計

教師引導學生進行項目設計，并進行分析、答疑；指導學生從經濟性、合理性和適用性的角度進行項目方案的設計，要考慮項目的成本，反復修改方案，點評修訂并確定最終設計方案。學生分組討論設計自動倉儲的PLC控制項目方案，在教師的指導與參與下，學生從多個角度、根據工作特點和工作要求制訂多種方案計劃，并討論各個方案的合理性、可行性與經濟性，綜合評價方案擇優確定最終方案實施計劃，分配好每名組員的工作任務。最終控制方案包括：控制要求，相關知識學習，硬件設計，軟件設計，整體安裝，運行調試6個環節。

(1)自動倉儲的PLC控制硬件設計。

主電路設計是電氣控制的正反轉主電路。元器件I/O分配輸入信號部分：啟動按鈕SB1對應I0.0；B位置開關SQ1對應I0.1；A限位開關SQ2對應I0.2；C位置開關SQ3對應I0.3；停止和過載開關SB2、FR對應I0.4。輸出信號部分：正轉線圈KM1對應Q0.1；反轉線圈KM2對應Q0.2。設計PLC接線圖。

(2)自動倉儲的PLC控制程序編制。

PLC編程有3種常用方法分別為狀態圖、梯形圖和指令語句表，熟悉掌握3種方法的編程特點及區別[3-4]。

2.3 項目實現

教師指導學生進行項目實施，進行系統安裝，講解項目實施的工藝規程和安全注意事項。學生分組進入工程實訓區，實際操作，在教師監督指導下把元器件選好，并列出明細，列出PLC外部I/O分配表，畫出PLC外部接線圖，并進行PLC接線與調試，填寫好項目實施記錄相關材料。自動倉儲PLC控制安裝步驟及工藝要求包括三個方面分別為：選配并檢測元器件和電氣設備；安裝元器件；實際布線。

2.4 項目運行與評價

(1)項目運行。

教師指導學生進行自動倉儲PLC程序調試與系統調試、運行，講解調試運行的注意事項及安全操作規程，并對學生的成果進行評價。學生檢查運料小車往返運行PLC控制電路任務的完成情況，在教師指導下進行調試與運行，發現問題及時解決，直到調試成功為止。分析不足，匯報學習、學習心得，展示工作成果；對項目完成情況進行總結，完成項目報告，撰寫課程設計說明書。

(2)項目評價。

項目完成后，應對各組完成情況進行驗收和評定，具體驗收指標包括：硬件設計、軟件設計、程序調試、整機調試、功能擴展、課程設計說明書、小組答辯7個方面。其中硬件設計主要考核根據繼電器-接觸器控制電路確定PLC點數和根據I/O點數選擇PLC型號、畫接線圖及實際接線；軟件設計主要考核根據控制要求編制梯形圖程序和用軟件輸入程序監控調試；整機調試主要考核按照生產規程操作軟硬件聯機調試，運行設備整機調試；功能擴展主要考核在滿足基本功能的基礎上開發出附加功能；課程設計說明書主要考核說明所規定的撰寫情況。

3 結語

全文以自動倉儲的PLC控制項目為例深入研究了CDIO模式應用于電氣控制及PLC原理課程設計全過程的方案，分別從課程設計項目構思、設計、實現、運行4個方面進行了深入研究。根據實踐教學經驗發現，本文所提方法適合唐山學院人才培養目標，廣受師生好評，達到預期目標及教學效果，為今后唐山學院相關課程設計的開展提供了一種新的思路，具有一定的現實意義。