PLC精確定位控制的線上線下混合式教學實踐研究

胡仁平，張 謙，鄧健平，呂友萍，胡 玲

(湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412000)

0 引言

在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中提出要推動制造業優化升級，深入實施智能制造和綠色制造工程，發展服務型制造新模式，推動制造業高端化、智能化和綠色化。在智能制造的自動化生產線中，PLC作為工業控制器有著不可替代的作用，我國將可編程控制器(PLC)、分散式控制系統等工業控制裝備作為重點研制對象,用于提升制造業的核心競爭力[1]。因此，高職院校裝備制造類專業應培養學生智能制造自動化生產線的控制系統設計與裝調維護能力[2]。湖南鐵路科技職業技術學院機電教研室結合學校已有的自動化生產線實訓室，以YL-335B自動化生產線考核實訓裝備為載體進行了PLC項目式教學改革，以設備的各個單站控制和聯調作為項目開展教學。具體分6個項目：供料單元的PLC控制、加工單元的PLC控制、裝配單元的PLC控制、分揀單元的PLC控制、輸送單元的PLC控制和自動化生產線的聯調。每個項目都是真實任務，具有實際的控制載體，而不像傳統教學用指示燈來代替載體，學生能直觀感受控制過程，加深對PLC控制過程的理解[3]。同時通過完成真實項目任務，學生的PLC控制系統設計能力則會大大提升。

但在進行真實項目任務的PLC控制系統設計實施中，涉及到的理論知識比較龐雜，在課程中學生需要進行充分的理論學習。理論學習時間的增加，自然會導致實踐時間的減少。而對于實踐性很強的PLC課程來說，勢必會導致學生的積極性降低，學習效果不理想[4-5]。

基于此，提出了線上智慧職教平臺理論學習和線下理實一體的項目實施混合式教學。具體思路是先對PLC課程內容進行線上課程資源建設，將相關項目任務的知識點進行了碎片化整理，建設微視頻、微教案、過關測試等資源并上傳至智慧職教平臺，學生在線上進行學習、闖關測試和討論，進行相關理論知識的學習完成知識儲備；課中大部分時間用于難點的攻克、設計控制系統與匯報；課后通過開放的實訓室和智慧職教平臺資源完成相關知識的鞏固和拓展。從而提高學生的積極性及動手實踐能力。

1 教學目標

以輸送單元的PLC控制項目中的子任務機械手裝置PLC精確定位為例，來展示基于智慧職教MOOC平臺和理實一體自動化生產線實訓室的線上線下混合式教學的應用。

1.1 素質目標

具備團隊合作、終身自主學習、邏輯思維及多角度思考問題的能力；塑造學生操作過程符合維修電工操作規范的安全意識和貫徹標準意識、企業6S管理要求的意識、勞動意識；逐步養成工作嚴謹和精益求精的工匠精神[6]。

1.2 知識目標

了解機械手精確位置控制的機械結構組成；了解伺服驅動器的原理；理解MADLN15SG伺服驅動器常見參數的作用；掌握MADLN15SG伺服驅動器各硬件接口的作用；了解S7-200 SMART運動控制功能的基本原理和運動控制的應用場合；掌握STEP 7-MicroWIN SMART軟件組態運動向導的組態步驟；理解組態運動向導時相關參數的含義；掌握運動向導生成的子程序作用；掌握STEP 7-MicroWIN SMART軟件運動控制面板的使用。

1.3 能力目標

會合理設置MADLN15SG伺服驅動器的參數；能根據控制要求進行硬件接線圖的設計；能完成PLC與MADLN15SG伺服驅動器的接線；會運用運動向導生成的子程序進行編程；會利用運動控制面板調試組態的軸；會使用STEP 7-MicroWIN SMART軟件的狀態監控表；能完成PLC精確定位控制的調試。

2 教學組織實施

2.1 課前

2.1.1 任務引導

在本任務課程的前一個星期，在智慧職教平臺發布學習任務。完成機械手裝置的PLC精確定位控制，可以通過STEP 7-MicroWIN SMART軟件的狀態監控表實現機械手裝置以指定的速度到達任意位置。學生進行任務的確認。

2.1.2 教學資源

在智慧職教MOOC平臺中，上傳了認識機械手直線運動傳動組件的機械結構、伺服系統的工作原理、MADLN15SG伺服驅動器常見參數含義及設置、STEP 7-MicroWIN SMART軟件運動向導組態過程、運動向導生成的各子程序具體應用、STEP 7-MicroWIN SMART軟件運動控制面板使用的微視頻資源、微教案和闖關測試。

2.1.3 學習情況反饋

通過智慧職教MOOC平臺的數據，發現所有學生均已完成了課前資源的學習。結合闖關測試和學生留言，發現學生對于伺服驅動器參數的含義、運動向導組態的參數含義和子程序應用方面存在問題。為此，將這三部分的內容定為本任務的難點。

2.2 課中

2.2.1 難點攻克

針對課程難點問題，進行難點攻克教學環節。

1)各小組根據現場的實際設備，找到相應的機械手裝置，并在任務書中填寫相應部件名稱，并繪制傳動系統框圖。

2)確保系統處于斷電情況，將MADLN15SG伺服驅動器的I/O控制信號接頭拔下。然后給系統通電，并根據教師現場提供的伺服驅動器手動運行視頻，各小組完成伺服驅動器手動運行的參數設置，并驅動伺服電動機運行。讓學生直接感受伺服驅動器驅動伺服電動機的運行過程，通過正反向的運行，了解設置的相關參數含義。而后斷電將伺服驅動器的I/O控制信號接頭插回，重新上電。

3)各小組按照課前資源的視頻，在STEP 7-MicroWIN SMART軟件中組態運動向導，具體參數與視頻內容一致，而后按照教師的程序完成運動向導生成的啟動和初始化運動軸、尋找參考點、命令運動軸轉到所需位置和手動模式四個子程序調用，并將程序下載至PLC。

4)使PLC處于STOP工作狀態，而后各小組運用軟件提供的運動控制面板中的操作選項完成執行連續運動、查找參考點、移動到絕對位置、以相對量移動等功能測試，同時觀察機械手運行情況。再利用運行控制面板修改軸組態參數并運行觀察機械手移動情況，從而幫助學生理解運動向導組態時各參數的含義。

5)關閉運動控制面板，將PLC處于RUN工作狀態，各小組利用STEP 7-MicroWIN SMART軟件的狀態圖表進行各子程序功能的測試，使學生理解子程序的具體作用。

6)理解了相應子程序之后，單獨更改MADLN15SG伺服驅動器的旋轉方向參數Pr0.00(因標準出廠設置為1，在此改為0)，對比設置為1時，執行運動向導的手動模式子程序，觀察機械手移動的方向，可以理解此參數含義；而后將Pr0.00參數還原，再單獨修改指令脈沖旋轉方向Pr0.06參數(因標準出廠設置為0，在此改為1)，而后運行原來的程序，對比改變前的運行結果，幫助理解Pr0.06參數的含義。并要求學生合理設置Pr0.00和Pr0.06參數組合，使軸的運動方向符合實際要求。最后修改每旋轉1圈的指令脈沖數Pr0.08參數(成倍擴大或縮小此參數值)，并用移動到絕對位置子程序測試移動的距離，對比修改前后機械手在同一個目標位置時實際移動的距離，從而在對比運行中理解此參數的含義。

2.2.2 任務實施

通過上述幾個環節，各小組真實體驗解決了3個難點問題，接著進入本任務的重點內容，機械手裝置的PLC精確定位控制任務實施。

1)各小組根據任務要求，進行工藝分析。主要確定機械手運動系統的組成、脈沖當量、伺服驅動器具體參數、PLC發高速脈沖的形式、精確的位置坐標、速度值。

2)各小組討論具體的輸入輸出信號，確定傳感器的類型，進行PLC的選型，并在任務書中寫明選型的理由。

3)根據上一步的內容進行I/O分配，強調晶體管輸出型的高速脈沖輸出組合，合理分配I/O。

4)根據I/O分配表和伺服驅動器的位置控制模式接線要求，完成硬件接線圖的設計，若伺服驅動器的接線圖有疑問，可參考微教案里面的內容。

5)根據控制要求，完成程序流程圖的設計，并根據流程圖完成具體程序的編寫。強調程序的編寫需考慮實際工作中誤觸發、誤操作等安全性問題的設計。

6)進入系統調試階段。各小組4位成員的分工如下：1名安全員負責整體安全事項及工藝監督、1名組裝員完成電氣的接線及工藝整理(為了便于工藝的整理和監督，已經將工藝規范文件以二維碼的形式粘貼在工作臺上)，1名程序員負責軟件編寫與下載，1名調試員完成伺服參數的設置及運行測試。小組根據調試結果，優化程序。而后安全員將I/O分配、I/O接線圖、伺服參數設置表、程序流程圖、具體程序和運行視頻上傳至平臺。

2.2.3 匯報與評價

任務完成后，各小組根據成果的照片和視頻進行匯報展示。小組之間根據控制系統的功能完整性、工藝整理情況及匯報的表達力等進行互評，選出本次任務的最佳組。組員內根據團隊合作過程進行互評，并填寫評分表。

2.3 課后

課后，各小組在開放的實訓室，完成任務的輪崗訓練。此實訓室有智能控制協會的成員進行現場安全與設備的維護。并通過在線平臺完成過關測試、反復觀看知識點講解視頻進行知識的鞏固，并查閱拓展資源進行知識的拓展。

教師根據學生在任務實施中的具體表現、成果匯報等對學生進行實施過程評價，利用平臺數據對提交的成果、資源學習、闖關測試、過關測試、拓展知識的學習情況進行動態的綜合評價。

2.4 在教學環節融入工匠精神

通過課前課后資源的學習，可以逐步培養學生的自主學習和終身學習習慣；通過小組合作學習，培養學生團隊精神、鍛煉學生專業技術交流的表達能力和探究精神；在任務實施中，按照工藝規范文件的標準進行生產線各站的電氣接線和氣動回路的連接與檢查，從而養成貫徹工藝規范標準的意識；鼓勵對同一任務采用多種編程方法啟發多角度思考問題的能力；根據已經設計的控制程序，通過反復調試養成精益求精的工匠精神；在任務實施過程中和任務完成后都必須遵守實訓室的6S管理制度，從而形成職業素養和勞動意識。

3 結語

通過線上理論學習與線下理實一體的項目實施混合式教學，取長補短，學生通過平臺反復觀看理論講解將理論知識的儲備放在課前，教師根據平臺反饋的數據和學生留言，確定教學難點，并針對難點進行專項教學設計。課中學生首先完成專項教學設計的學習任務，完成教學難點的攻克；而后通過完成PLC控制系統設計的項目任務實訓。課后各小組在實訓室完成任務的輪訓，并通過平臺資源完成知識的鞏固和拓展。在整個教學過程中，以任務實訓為主，從而提升學生的技能水平與學習積極性，并融入工匠精神提升學生的素養，取得了較好的教學效果。