機床電器與PLC應用教學方法研究

李偉

（安徽機電技師學院，安徽蚌埠233010）

制造業被認為是現代社會的主要經濟支柱之一。然而，在過去的10年中，各個技術領域的快速發展導致了制造系統的重大變化。現代工程師所要求的技能不斷發展，學生在中職學習期間的終身教育比以往任何時候都更有意義。除此之外，年輕的學生們還被證明，當應用問題迫使他們跳出邊框思考時了解終身教育的學生將獲得顯著的收益，從而發展出一套包括復雜問題解決、批判性思維和創造力在內的重要技能。實踐證明，通過實踐學習，是促進關鍵技能發展的最有效途徑之一。因此筆者構思了這篇文章，希望會為各讀者帶來幫助。

1 機床電器與PLC概述

1.1 機床電器的概念

機床電器是對金屬或其他剛性材料進行成形或加工的機器，通常通過切削、鏜孔、磨削、剪切或其他變形形式來實現。機床電器使用某種工具進行切削或成形，所有的機床電器都有一些約束工件的方法，并提供機器零件的導向運動。因此，工件與刀具之間的相對運動，即所謂的刀具軌跡至少在一定程度上是由機器控制[1]或約束的而不是完全隨意的。它是一種動力驅動的金屬切削機床電器，可以幫助管理刀具和工件之間所需的相對運動，從而改變工件的尺寸和形狀。

1.2 PLC的概念

可編程邏輯控制器(PLC)或可編程控制器是一種工業數字計算機經過加固而適用于控制制造過程，如裝配線、機器人設備或任何需要高要求的活動可靠性控制和易于編程和過程故障診斷。PLC最初是在汽車制造業開發的，通過提供靈活、堅固[2]和易于編程的控制器提供取代硬接線繼電器、定時器和測序器的服務。自那時以來，它們已被廣泛用作適用于惡劣環境的高可靠性自動化控制器。

2 機床電器應用教學方法研究

機床電器應用教學現在的工作旨在為中職學生提供一個成功的基于工業的教學和培訓框架[3]，同時通過教學工廠范式為企業提供新的工程解決方案。教學工廠理念是一個雙向的知識溝通渠道，為課堂提供行業實踐，為工廠提供“新”知識。下面介紹了促進知識交流所需的教育方法和ICT基礎設施。該框架和工具隨后在一個涉及協作機床設計場景的試點應用程序中得到驗證。由四個中職學生組成兩個實驗學習小組，每個小組在一個特定的場景下進行機器重新設計，并由三位老師進行概述。介紹了兩個小組的進展和整個過程中的發現。最后，針對激勵問題給出研究結果和結論。

2.1 教學工廠范式

當代制造業是為了滿足日益增長的工業對生產相關技術、工具和技術的要求而誕生的。對中職學生的培訓和工業學習為目的是應對技術的進步，考慮到我國制造業的改進和創新性能，構成一個有希望的因素。然而，由于工業教育需要被制造領域的學習的學生直接接受，課堂內的理論方法不足以滿足現有的培訓標準。因此，需要創新教學方法，將制造業教育與產業實踐相結合[4]，將先進的知識導入生產，平衡資源型制造業(勞動力和資本)與知識型制造業(信息和知識)，確保產業穩步增長。

教學工廠與學習型工廠有著相似的理念，教學工廠的概念是基于制造的在教育過程中尋求與合作伙伴的融合和挑戰，學生們面臨的問題使他們逐步了解工業領域，因此，中職學生能夠獲得制造經驗和技能也能獨立面對和適應工業需求。教學工廠是一個除了地理固定的學習空間外擁有先進的信息通信技術和高檔工業說教的設備和經營知識雙向溝通渠道的工廠教室和學術實驗室工廠。教學工廠中學生進行實踐教學如圖1所示。

圖1 教學工廠中學生進行實踐教學

2.2 教學工廠:一個合作機床設計案例

筆者設想了一個“工廠到教室”的操作方案包括采用一個工業驅動的項目驗證提出的教學工廠范例。教學工廠試點包括一個真實的工程挑戰，由工程專業的學生來詳細闡述。成立了兩個小組，每個小組由四名學生組成。每個團隊都制定了自己的策略，提出了各自的潛在解決方案，并與3位老師進行了評估。教學工廠試驗分五次進行，學生小組使用視頻會議工具或當面與老師進行交流。

第一工作空間功能是銑削、激光結構和激光去毛刺主軸，第二工作空間作用是安裝激光加工單元的機械手可用于激光材料的沉積、激光焊接和激光硬化。在兩個工作空間之間安裝一個工業機器人，可以直接到達兩個工作空間，以便于對一系列不同的工序進行協同加工 (使用機器人和機床電器主軸)。MTP設計允許在兩個工作區中并發處理而且并發進程會相互影響[5]。然而，由于MTP獨特的運行條件使得現有的市場上可用的旋轉轉臺設計是不合適的，需要一個量身定制的解決方案。這種旋轉工作臺的協同設計是教學工廠試驗的課題，這個實驗被組織成五個協作周期，通過這個周期，學生們將與老師們進行互動，以推進他們的設計，遵循特定的設計周期。

在第一階段的課程中，學生們將真實的工業問題呈現給兩個學生小組，通過互動的方式，包括與生產設備的遠程視頻連接，讓學生們了解所涉及的概念、操作和挑戰。此外，還應討論對各種設計的考慮。第二階段，重點定義了基于第一階段定義的先決條件的設計規范。規范對于兩個團隊都是通用的，并且在整個設計過程中都使用了規范。學生團隊在前兩個周期收到的來自老師的反饋，用于在試點的第三個周期內起草初步設計。每個小組提出一個顯著不同的方法，筆者的小組基于所選擇的標準嘗試了一個主要的材料評估，并通過實現權重因素，導致鑄鐵作為最終的選擇。提出了三種旋轉轉臺的設計方案，并根據成本、重量、制造和裝配難度等因素，選擇了最終的設計方案。團隊2選用鋼材作為材料，根據材料的平均力學性能。他們的設計是基于結合簡單的，市場上可用的組件通過焊接連接，并提出了多種選擇，考慮不同的幾何特征(支持)，可以提高整體動態性能。此外，還對重量進行了評估。第四階段重點對所選方案進行了詳細的動力和熱分析。兩隊利用有限元分析工具對模態和熱彈性分析的初步設計的最后，在第五個周期，學生團隊提出他們的迭代設計過程基于動態和熱分析的結果和結論的最終解決方案的協同設計過程。團隊1通過引入整個裝配(現有的機床和旋轉轉臺)，進一步細化了他們的分析邊界。在此基礎上，在結構中部局部加筋以減小最大變形。然而，在模態分析迭代仿真過程中，即使經過多次設計改進發現所選材料也不能滿足要求。為了解決這個問題，團隊將選擇的材料改為鋼材。第二小組改進了他們的設計，增加了一個六螺栓的支持，以抵消不必要的本征頻率。最終，兩個團隊的設計都達到了最初的規格。

3 PLC應用教學方法研究

可編程序控制器(PLC)廣泛應用于工業過程控制和制造系統。開發PLC程序的分析方法有狀態圖、Petri網絡圖、真值表和布爾代數。所有這些方法都有助于在復雜系統中開發一系列控制PLC程序，但沒有一種方法可以實現程序的全自動開發。在傳統的PLC編程教學方法中，如狀態圖，首先要構造一個圖來顯示該過程可能采用的所有路徑。然后添加每個路徑所需的布爾條件。對布爾條件進行更改，然后將圖轉換成PLC程序并進行測試，然后再次測試新程序。這個反復試驗的過程一直持續到開發出一個沒有bug的程序為止。這個反復試驗的步驟不會導致自動的程序開發技術。筆者在下文提出了一種新的控制器設計方法和程序控制編程方法，供教師和工業培訓師使用。這種新方法將是一個有用的工具，教初學者以更快的方式開發PLC程序。這種新方法結合了來自各種技術的一些關鍵概念，以交付一種新穎但有效的自動化方法。這種新技術通過兩個簡單的步驟將真值表轉換為梯形邏輯圖，梯形邏輯圖是PLC編程中最常用的圖形語言。以某典型液壓站為例，說明了該分析方法。該實例表明，該方法可用于復雜系統的順序控制程序的開發。筆者通過研究驗證了該方法的有效性，這種新的教學方法已可以應用于中職學生。這項研究將工程技術專業的學生分成兩組。其中一組采用傳統的PLC編程教學方法，另一組采用新方法。使用相同的測試，結果表明，與另一組相比，使用新技術的那組花在編程上的時間更少。

這里介紹的方法引入了一種技術，該技術通過兩個簡單的步驟將真值表轉換為梯形邏輯圖。這是PLC編程中最常用的圖形語言。該方法在工程技術專業學生中進行了測試，取得了良好的效果。實踐證明，所討論的方法有助于PLC編程的學習，使其更容易、更快地理解。

3.1 PLC教學研究方法

為了創建完全自動化的設計過程，必須開發一種完全消除反復試驗過程的方法。為了消除反復試驗或編程必須在設計變量和性能變量之間建立一種清晰的分析關系。真值表和布爾代數多年來一直被用來自動設計數字電子電路。然而，在電路設計中使用的技術并不直接導致PLC程序的自動化。一般來說，一個真值表將被開發為一個給定的電路，然后每個真值表的組合將被考慮。在PLC中，我們可能不關心每個物理上是不可能組合。此外，在電子電路中，只關心輸出的低(關)或高(開)狀態，這取決于它是有源高電平還是有源低電平。但在PLC中，必須始終考慮輸出的高電平和低電平。圖2演示了17名中職學生編寫的PLC程序。

圖表217名中職學生編寫的PLC程序

3.2 生成真值表的步驟

下面是生成真值表所需的一系列步驟，然后從高、低輸出布爾方程，最后將方程轉換成PLC程序的方法：①編寫程序必須完成步驟列表；②以真值表的形式列出所有系統的物理輸入和輸出；③在第一個輸入行中，輸入第一步所需的輸入條件；④在第一個輸出行中輸入使系統完成第一步所需的輸出條件；⑤在第二個輸入行中，輸入上一步完成后輸入所處的狀態；⑥在第二個輸出行中，輸入使系統完成下一步所需的輸出條件；⑦重復步驟5和步驟6，直到程序中的所有步驟都完成；⑧驗證真值表中的所有輸入和輸出行都是唯一的，如果是，轉到第9步，如果沒有為每個重復行添加一個內部繼電器(寄存器)；⑨為每個輸出創建兩個布爾方程。一個代表低能級，一個代表高能級；⑩創建PLC程序使用高方程鎖存輸出和低方程解鎖輸出。

3.3 程序的例子

該研究使用梯形邏輯程序包。該程序支持Allen Bradley SLCTM 500和MicroLogix TM系列PLC處理器。要從布爾方程創建梯形邏輯圖鎖定高方程的輸出，并解鎖低方程的輸出。

這項實驗測試是與17名中職學生合作進行的。本實驗將提供有關使用真值表作為創建梯形邏輯程序的一種方法來學習PLC編程的易用性的數據。學生被分成兩組，每組分配一個給定的方法:試錯法(T/E)或真值表法 (TT)。在實驗之前，每個參與者都被問及是否有PLC的經驗。

在所有參與者中，只有12%的人認為自己事先對PLC有相當的了解。實驗測試表明，與其他組相比，使用TT法的學生有較大的時間優勢。TT學生在較短的時間內完成了創建一個完全可操作的梯形邏輯程序的任務。測試結果表明，TT學生編寫梯形邏輯程序平均耗時44 min/avg，而T/E學生平均耗時55 min/avg，而且其PLC編程存在問題。TT學生只需要6.67min就可以創建一個功能良好的真值表，這形成了一個完全運行的PLC程序。另一方面，只有25%的T/E學生在沒有事先知識的情況下能夠完成創建一個可工作的PLC程序的任務。這支持了我們的論點，即真值表是一種更快、更符合邏輯的方法來吸收PLC和梯形邏輯編程的復雜性。

4 結語

教學工廠是一種概念，它以一種全新的方案轉變制造教育范式，提高效率，學習依賴于實際應用。在工程技術專業學生的參與下進行的測試清楚地表明，提出的正確的方法可以更快、更容易地理解PLC編程。我們的方法結合了各種技術的關鍵概念，提供了高效和自動化的機床電器與PLC教學方法。