趙建峰,高世平,劉 慧
(南京工程學院,江蘇 南京 211167)
由于信息、網(wǎng)絡等技術發(fā)展迅猛,知識與技術的更新?lián)Q代十分頻繁,而企業(yè)急需的是動手能力強,能解決實際問題的信息化、智能化學科交叉型應用人才,因此人才培養(yǎng)的目標定位非常重要。在課程體系建立方面一定要兼顧基礎知識與最先進科技知識的結合,即要扎牢基礎的根基又要掌握最先進科技的發(fā)展成果與應用[1]。
《電氣控制與PLC》是自動化專業(yè)一門綜合性較強的專業(yè)課程,其涵蓋了可編程序控制技術、傳感器技術、氣動技術和觸摸屏技術等自動化技術的應用。目前該課程主要是理論教學、PLC課程設計和電氣控制實習。期中各一周的PLC課程設計和電氣控制實習在時空上獨立開來,理論與實踐分離,缺少緊密聯(lián)系。因此,采用最新型的羅克韋爾自動化的系列PLC、變頻器和觸摸屏產(chǎn)品,升級改造現(xiàn)有的實驗臺,將機床電氣安裝、布線、PLC應用、變頻器和觸摸屏自動化控制糅合在一起,更能滿足社會對具有創(chuàng)新能力和實踐能力的復合型自動化高級人才的需求,提高應用型本科院校畢業(yè)生的就業(yè)能力。
項目教學,又稱基于項目的學習,包括內容、情境、過程、評價四個要素。項目教學強調以工程實際為背景,打破學科知識的邏輯約束,按照工程需要的技術邏輯,建構教學內容[2]。電氣控制實踐教學項目法是一種以學生為主體、智能制造的加工單元數(shù)控機床為工程背景,教師為主導,以各項目內容為主線,以任務目標為驅動,從而實現(xiàn)分析問題、方案設計、項目實施及最終評價的教學方法。學生在教師的指導下,兩人一組,依照各個項目目標,完成獨立設計、自主施工、現(xiàn)場調試及故障分析的全過程。按照企業(yè)標準,規(guī)范化設計與出圖、合理布局、精心施工,與企業(yè)要求無縫對接。該項目教學法,極大提高了學生學習的積極性和主動性,增強了分析問題和解決問題的能力,理論與實踐充分結合,學以致用,激發(fā)了創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。
該課程為校內生產(chǎn)實習,是自動化專業(yè)綜合性的電氣實習,綜合了之前所學的專業(yè)基礎課、專業(yè)課等知識。通過實習,培養(yǎng)學生的電氣設計和安裝與調試動手能力,使他們所學的理論知識與實踐相結合,并使所學的課程知識更完善、更扎實。該課程的教學目標主要有:
(1)在數(shù)控機床電氣安裝與調試過程中,能夠利用所掌握的工程基礎和自動化專業(yè)知識,運用其理論和方法解決自動化工程生產(chǎn)線、數(shù)控機床電氣等有關的復雜工程問題。
(2)利用所掌握的機床電氣基礎知識,設計與繪制典型機床電氣圖;在此基礎上,設計數(shù)控機床常用電氣原理圖,完善數(shù)控機床的自動化電氣系統(tǒng)解決方案。
(3)根據(jù)設計方案,進行機床電器板布局和走線設計;熟練利用電氣工具,完成機床電氣安裝;利用萬用表等工具完成電氣系統(tǒng)檢測與調試;實現(xiàn)電動機在工頻狀態(tài)下的啟動、停止、正反轉以及兩臺電機的順啟逆??刂啤?/p>
(4)在典型電氣安裝與調試的基礎上,完成羅克韋爾系列PLC、變頻器和觸摸屏的電氣設計與安裝;完成PLC與變頻器的軟件設計與調試,實現(xiàn)電動機的變頻速度控制;完成觸摸屏的界面設計與速度調試。
(5)能合理安排時間,按時完成電氣設計和安裝調試任務;能夠在團隊中承擔相應的工作,并能與其它成員協(xié)同合作。
(6)在實習過程中,能夠就機床電氣和PLC技術等問題與同學、老師及社會公眾進行有效溝通和交流,繪制電氣原理圖,編寫PLC程序圖,撰寫實習報告,完成調試之后的綜合答辯。
從設計、安裝、編程到調試一體化的實習過程中,把理論與實踐有機地結合起來。并通過各個項目的依次、遞進的設計與實現(xiàn),使學生猶如置身于企業(yè)的生產(chǎn)制造過程中,使學生更有成就感和責任感,更能切身體會到學習對其自身和社會企業(yè)發(fā)展的重要意義,以提高學習的自覺性。
南京工程學院自動化數(shù)控技術應用中心,擁有自制典型機床電氣安裝、調試實驗臺24套,主要實現(xiàn)電動機在工頻狀態(tài)下的啟動、停止、正反轉以及兩臺電機的順啟逆停等控制。主要是針對自動化和數(shù)控專業(yè)一周的教學實習。
2017年,我校與羅克韋爾自動化校企合作實驗室落地,作為其中智能制造的子項目,對24套實驗臺升級改造。
由于實驗臺增加了新的PLC設備和教學內容,2018年采用了新的教學大綱和實習計劃,由原來的一周改為兩周實習,同時服務于自動化、數(shù)控和機器人專業(yè)的實訓教學。
由于學生在實訓前已經(jīng)進行過相應課程的理論學習和實驗訓練,項目教學相對課程實驗要有相應的提高,即工程型、實踐性更強,更能貼近企業(yè)生產(chǎn)要求。教學改革后的實習計劃如表1所示。
表1 實習計劃Tab.1 Internship program
根據(jù)教學目標和實習計劃,整個教學過程分四個項目進行,即典型機床電氣設計、施工與調試;PLC硬件連接與軟件編程;變頻器編程與調試;觸摸屏界面設計與速度調試;最后項目驗收與答辯。每一個項目環(huán)節(jié)都配備有專業(yè)指導老師進行實踐指導,各個項目環(huán)節(jié)既相互聯(lián)系,又層層提高,使其成為一個有機的整體。學生通過不斷修改整體實訓方案,反復操作,對全過程有了較全面的理解和掌握,從而提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。
3.2.1 典型機床電氣設計、施工與調試
該項目是實驗臺升級前的主要實習內容,也是后續(xù)項目的硬件基礎和設計平臺。該項目主要分三個階段完成:
(1)根據(jù)實習任務,設計電動機工頻速度控制原理圖、施工圖。前期,學生選修過機床電氣設計和solidworks2014 electric軟件的練習,在此基礎上,根據(jù)課題要求正確設計、繪制原理圖,合理布置元器件,規(guī)范走線設計;生成連接線編號?、零部件信息及項目圖紙。
(2)正確使用常用電工工具,據(jù)圖施工。依據(jù)圖紙和端子號標注,制作接線端子號碼管,端子號的使用要規(guī)范、正確并與圖紙嚴格一致;合理、規(guī)范布線,強電380V采用紅、黃、藍三色線走線,信號線采用綠色、黑色區(qū)分,便于安全檢查。正確連接交流接觸器、中間繼電器、變壓器和指示燈等設備。
(3)正確使用萬用表等檢測工具,依圖查線。由于實驗臺引入的是380V高壓線,安全檢查非常重要,其中重點檢查變壓器原、副邊的接線,不能接反;開關電源24V的連接,輸入與輸出不能接反;24V中間繼電器線圈不能接入220V高壓,否則會燒掉元件或炸裂;按鈕和信號燈的連接??傊?,重點檢查電路的短路、斷路、380V和220V強電電壓,以及電器元件強弱電的混接。每位同學都要認真檢查線路2遍以上,才能提請指導教師檢查和通電。
(4)實驗臺通電。線路檢查完成后,必須在教師的指導和陪同下一起上電。依照圖紙和上電順序,依次合上各路開關,并用萬用表測量各路電壓;仔細觀察實驗臺設備狀態(tài),通過聽、聞、嗅等常用檢測方法,對可能發(fā)生的緊急情況果斷處理,并切斷電源。在檢查過程中,同學之間要相互配合,增強協(xié)調能力,提高檢測和故障分析能力。
(5)電動機工頻速度調試。線路檢查無誤后,通過啟動和停止按鈕,實現(xiàn)電機的啟動、停止、正反轉等功能控制;實現(xiàn)兩臺電機的順序啟動逆序停止控制。
其中,調試失敗的主要原因在于中間繼電器的常開、常閉觸點邏輯混亂,使電動機的自鎖、互鎖功能無法實現(xiàn),而這在前期的線路安全檢查中也是很難發(fā)現(xiàn)的。所以,實習過程中,學生必須要正確繪制原理圖、出圖,依圖施工、依圖檢查、依圖上電和調試,循循漸進并環(huán)環(huán)相扣。指導教師也要嚴格把關,一個環(huán)節(jié)有問題,就不能進行后序操作,并計入平時成績或終止實習,以保證實習的人身絕對安全性、嚴謹性和規(guī)范化操作。
3.2.2 PLC硬件連接與軟件編程
羅克韋爾最新款的Micro850 PLC,提供標準的24點輸入和48點輸出,并具有100kHz的高速計數(shù)器(HSC)輸入,便于電動機編碼器的速度檢測;提供USB編程端口、非隔離串口(用于RS-232和RS-485通信)和以太網(wǎng)接口,便于編程與調試;一體化編程組態(tài)軟件 CCW,即可實現(xiàn)PLC梯形圖編程、調試,又可以實現(xiàn) Micro850控制器、交流變頻器和圖形終端觸摸屏等系列機器設備的安裝、組態(tài)、連接和維護工作。
首先,學生在機房熟悉CCW編程軟件和繪制Micro850控制器及相關設備的接線圖;利用Ethernet/IP網(wǎng)絡協(xié)議,設置控制器、變頻器和觸摸屏的通信參數(shù)和IP地址。然后,在實驗臺上依圖施工,并通過路由器進行網(wǎng)絡的物理連線。最后,下載PLC程序和參數(shù),調試各設備之間聯(lián)網(wǎng)成功。
3.2.3 變頻器編程與調試
變頻器調試主要分為手動調試和變頻調試。
(1)手動調試。一是依照說明書,利用變頻器的控制面板,設置相應參數(shù),實現(xiàn)電動機的啟動、停止、正反轉和速度控制。這是常規(guī)做法,比較繁瑣。二是利用CCW軟件和網(wǎng)絡通信,利用軟件的變頻器參數(shù)表格,直接設置相應參數(shù),實時有效、即時反饋響應值,非常簡單、方便。
(2)自動變頻調試。編寫相應的PLC和變頻器程序,在程序中設置相應的速度參數(shù),如IP地址、參考速度、加速時間和減速時間等[3]。這些參數(shù)可以在電動機運行狀態(tài)在線監(jiān)控,其中電動機頻率參考電壓直接通過EtherNet/IP網(wǎng)絡寫入變頻器相應存儲器,并由變頻器轉換為三相電壓驅動電動機旋轉,以實現(xiàn)速度變頻控制。
3.2.4 觸摸屏界面設計與調試
在項目三中可以通過按鈕和指示燈實現(xiàn)電動機單一速度的正、反、停控制,但在脫機狀態(tài)下無法進行轉速的顯示與修改。所以,圖形終端觸摸屏在流水線上非常重要,是人機交互的重要工具。
在前期項目的基礎上,設計觸摸屏的界面如圖1所示。對設定好的標簽,正確建立與PLC地址和參數(shù)的關聯(lián),以保證動作安全、有效。修改相應的PLC程序,設置觸摸屏IP地址,通過Ethernet/IP網(wǎng)絡聯(lián)機調試。
圖1 觸摸屏速度控制界面設計Fig.1 Speed control design of touch screen
該項目容易出現(xiàn)的問題主要有兩點:一是標簽和相應的參數(shù)比較多,容易關聯(lián)錯誤,造成觸摸屏的功能無效或邏輯錯誤。二是PLC、觸摸屏和變頻器之間的網(wǎng)絡通信有時會比較麻煩,容易找不到相應的設備或IP地址丟失,但一旦設定好就很穩(wěn)定。這些問題主要和學生的操作熟練度有關,細心操作和多次訓練,就能發(fā)現(xiàn)自己的粗心和不足,從而培養(yǎng)他們更嚴謹和更科學的學習態(tài)度。
所有項目完成后,學生答辯和撰寫實習報告。其中,重點說明設計、施工和調試過程中出現(xiàn)的問題,故障原因,以及如何解決問題的方法。在實習過程中,學生在充分理解并完成指定科目的基礎上,設計內容是否有所外延,設計方法和實施手段是否創(chuàng)新或更高效,是教師引導和綜合評價的重要方向。
電氣控制實習是一個集多門課程知識為一體的綜合性實習,實踐性很強。通過電動機工頻、變頻自動控制設計,電氣圖繪制,常用電氣設備的安裝、調試,羅克韋爾自動化設備的一體化應用,學生對電氣自動化有了一個全面理解和掌握。項目教學法不僅培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力,提高了學生對電氣技術實際應用的動手能力和創(chuàng)新能力,而且培養(yǎng)了學生嚴謹、細致、團隊協(xié)作的工作作風,使之更適應現(xiàn)代社會人才的需求。