基于Automation Studio的多課程聯合實訓教學探究

孫小康 秦萌 史丹

摘? ?要：針對職業教育多課程交叉實訓教學實施過程中硬件不足、投入成本高、危險系數大等難題，結合《電機拖動》、《PLC編程及應用技術》、《自動生產線裝調》等課程的教學特點，利用Automation Studio虛擬仿真平臺，進行多課程聯合實訓項目的教學探究。本文以送料小車自動往返循環控制為例，闡述了基于Automation Studio 虛擬仿真平臺的項目模型搭建、梯形圖設計及電氣傳動仿真演示。實踐證明，虛擬仿真教學使學生多門課程綜合應用能力得以提高，既提升教學效果，又切實降低實操的危險性。

關鍵詞：多課程交叉? Automation Studio虛擬仿真? PLC控制? 自動往返

《維修電工綜合技能實訓（中級）》以《電機拖動》、《PLC編程與應用技術》、《自動生產線裝調》等課程內容為先驗知識，具有實踐性強、多課程交叉等特點。在職業教育1+X證書制度背景下，對教師和學生在多門課程高度交叉情況下如何高效的教和學提出新的挑戰。由于這類實訓教學所需的一體化硬件設施成本高、建設周期長、實訓危險系數高，且學校往往經費緊張，導致不少教師迫于現實只能將實踐教學依舊停留在“投影-粉筆-黑板”模式的原始教學手段上[1]。這嚴重限制了多課程交叉實訓課程的有效教學，使得學生對于此類課程的學習仍存在一定的認知困難，實訓案例剖析的廣度和深度不夠[2]。

本文通過Automation Studio搭建虛擬仿真平臺，針對《維修電工綜合技能實訓（中級）》課程中的“小車自動往返循環控制”任務進行整體的設計與演示，在不需要投入高昂的一體化硬件設備的情況下，有效融合其他課程內容，使跨課程的實踐教學變得簡單且高效。

1? Automation Studio在實訓教學中的具體應用

Automation Studio是加拿大貝加萊公司推出的一種集機電一體化、液壓與氣動、電氣自動化的綜合性仿真軟件，更加面向工程實踐，在課程教學中的應用卻有待探究。采用項目化形式進行“小車自動循環往返控制”的教學，Automation Studio 完全可以滿足該實踐任務的仿真需要。

1.1 項目概述

小車自動往返循環工作示意圖如圖1所示。電動機通過絲杠驅動小車的前進與后退。項目需同時滿足以下控制要求：（1）自動循環工作（兩端5s延時）;（2）點動工作（供調試用）;（3）循環計數控制（循環5次）。小車前進、后退一次為一個循環，循環5次后自動停始發點。

1.2 項目分析

小車的前進與后退是通過電動機正、反轉來控制的，所以，完成這一套動作只要在電動機正反轉控制程序的基礎上修改即可。為了便于手動調試，小車工作的控制方式設有點動和自動連續兩種，采用控制開關SA1來切換（SA1閉合，點動;SA1關斷時，自動連續）。小車循環次數設定為5次，可利用計數器設定。

1.3 項目模型搭建

本文在項目實操前利用Automation Studio虛擬實訓平臺針對小車自動往返進行建模，在建模中充分發揮學生的主觀能動性，將項目涉及的多課程知識有效融合，打通知識脈絡。

根據任務分析，模型的主電路與傳統電機正反轉電路完全相同，但控制電路的功能則要通過PLC具體實現。本文選用西門子S7-300系列PLC，依據 I/O分配表和控制要求，從軟件元件庫里選出所需的電氣元件，調好位置，并搭建仿真模型如圖2所示。

1.4 項目程序設計

根據被控要求，首先引導學生在平臺上設計出電機正反轉控制的梯形圖程序，然后參照下述思路完成整體設計如圖3所示。

（1）分析小車往返一次的工作過程可知，當小車前進過程中底門開關壓合行程開關SQ2后，X5常閉觸點應先斷開Y0線圈，使小車停止前進。然后X5常開觸點再接通Y1線圈，使小車后退，完成小車由前進向后退的動作轉變。同理，撞塊壓合SQ1后，工作臺完成由后退轉為前進的動作。

（2）小車在兩端停留5s后再返回，可由兩個定時器常開觸點分別并聯到正、反轉觸點（X2和X3）兩側代替行程開關X4和X5的常開觸點。

（3）根據點動控制的原理，當電機連續控制環節不加自鎖時就能實現點動控制，設轉換開關SA1閉合后，實現小車點動控制，在梯形圖中，利用X0常閉觸點分別與常開觸點Y0、Y1串聯，實現點動與連續控制的切換。

（4）小車由前進變為后退并使底門開關壓合SQ1后，為1次工作循環。要使小車循環5次后停在始發點，可由減計數器設定工作臺循環次數。上升沿有效的計數脈沖由X5 （SQ1）提供。設定X2信號為啟動信號，X2閉合時系統正轉啟動，同時計數器給定預設值，為計數準備。SQ1被壓合5次后，X5便通斷5次，則有5個計數脈沖輸入，減計數器S_CD輸出低電平。S_CD常開觸點斷開，使Y0線圈失電，小車停在始發點。

（5）考慮到安全因素，同時貼近生產實際，設置SQ3與SQ4分別為后退和前進的極限位保護裝置。

1.5 仿真調試

通過Automation Studio平臺內部數據交換，將梯形圖上傳至平臺電路中，實現兩者的聯合動態仿真。仿真時，順次撥動各行程開關即可模擬小車自動循環往返動作。在程序運行過程中，平臺能夠模擬出各個器件的動作，如小車的前進和后退。還可以通過PLC端子顯示燈查看各信號的通斷。通過梯形圖高亮顯示，可實時定位程序運行，方便驗證項目設計的正確性和合理性。

點擊菜單欄“顯示故障組件”選項，在仿真過程中，系統會實時顯示發生故障的位置或器件，結合軟件中的示波器、繪圖儀等測量工具實時跟蹤元件的性能指標，從而幫助學生對系統進行優化改進[3]。

2? 實施效果

在利用Automation Studio虛擬實訓平臺進行的教學中，教師應引導學生正確理解PLC、電氣拖動等多課程交叉在實踐操作中的關鍵性，培養學生多維度綜合思考的能力。并借助信息化云平臺和石墨文檔等手段對學習過程進行動態性記錄，為后續實操分組提供數據和技術支持。在多元化評價體系下，對較為突出的學生作品進行網絡云展示，激發學生的學習熱情。最后，學生撰寫項目報告并對教師進行教學評價。

3? 結語

本文采用Automation Studio輔助教學能夠啟發學生的創新思維和多課程綜合運用能力，從項目的分析設計、模型的搭建到最后的仿真調試，其充分發揮靈活多變的設計方式并體現生動逼真的仿真效果。同時降低了實踐教學的成本和危險性，為今后多課程的實踐教學提供了創新手段。

參考文獻

[1] 許有熊，劉娣，王建紅.多課程聯合的虛擬項目教學應用研究[J].中國現代教育裝備，2018（1）：38-39.

[2] 田玉蘭，潘亞娣，翁錦萍.基于雙項目式教學的多課程綜合訓練探索與研究[J].黑龍江教育，2016（11）：52-54.

[3] 單俠芹.基于Automation Studio軟件自動供料系統的改進[J].寧波職業技術學院學報，2019（2）：93-96.