面向工程能力培養的智能洗車機實驗系統研發

雷翔霄

（長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南 長沙，410004）

工程能力是指應用工程科學和技術，解決企業實際工程問題，創造經濟和社會效益的能力，亦即解決企業實際工程實踐問題的能力。它通常包括：知識的學習與應用能力、思維判斷與分析能力、工程設計與實踐能力等[1]。制造業是國民經濟發展的重要支撐和國家安全的重要保障[2],是立國之本、興國之器、強國之基[3]。歐美等經濟發達國家提出的“工業互聯網”“工業4.0”等發展戰略，吹響了第四次工業革命的號角。2015 年5 月國務院印發的《中國制造2025》以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，著力推進智能制造的升級換代，推動制造大國向制造強國發展。2016 年《中共中央、國務院關于進一步加強人才工作的決定》指出：實現制造大國向制造強國轉型，離不開高層次、高技能和復合型人才的支撐[4]。高職院校作為高素質復合型技術技能型人才培養和供給的主體，是應用型人才培養的主要平臺，承擔著復合型技術技能人才培養的重任，在壯大先進制造業人才隊伍方面發揮著巨大的作用。

在實現由制造大國向制造強國轉變的過程中，由于自動化技術的廣泛應用，一些“三無工廠”開始出現，導致生產一線從業人員的數量降低，但對從業人員的綜合能力要求在提高，尤其是對從業人員工程實踐能力的要求。在一定程度上可以說，中國制造業要在激烈的環境中立足并發展，進而形成一定的優勢，從業人員綜合工程能力的高低是關鍵性因素[3]。

西方發達國家非常重視學生工程能力的培養，美國賓州州立大學工學院通過學習工廠模式培養學生的工程能力，給學生在真實的制造環境中實踐學習的機會，是綜合性的實踐模式[5]。德國的雙元制和行動導向教學法，采用工程性較強的實訓設備開展教學，非常重視學生工程能力的培養[6]。陳波[1]等提出以培養工程能力為目標的“N-CDIO 工程教育模式”。張曉琳[7]等提出通過課內外理論類課程的改進、實踐類課程的改進以及利用網絡資源培養化工類學生的工程能力。李平[2]等從工程訓練中心的建設、工程訓練教學改革等方面對學生工程能力的培養提出了思考。近年來，隨著加入《華盛頓協議》和開展現代學徒制，學生的工程能力得到了一定程度的提高，但由于高職院校的實訓設施脫離工程背景、滯后于現場發展，且大多為驗證性實訓設備[8]，在一定程度上影響了學生工程能力的培養。在長期的教學、指導學生參加技能競賽以及參與企業產品研發的實踐中發現：鍛煉學生工程能力的最有效方法，一是指導學生直接參與企業產品研發，但此類可遇而不可求，不適宜大規模推廣；二是因地制宜，自制實訓設備，通過研發貼近行業實際的實訓系統，培養學生綜合利用所學知識解決實際問題的工程能力。

本文以工業生產中常見的伺服電機、步進電機、變頻電機、三相異步電機、單相電機、傳感器等為對象，綜合考慮高職學生的認知能力和企業崗位技能需求，設計開發了一套非接觸式智能洗車機實訓平臺。

1 綜合實訓設備設計理念

（1）來自生產現場。設備載體來自近年來迅猛發展起來的自動洗車機行業，為學生所易于理解和接受。伺服電機、步進電機、三相異步電機、單相電機、超聲波測距、無線遙控、各類傳感器、電磁閥等集中在一個系統當中，串聯起電氣自動化技術專業大學三年的核心知識點，使學生能更加直觀地對所學知識的具體應用領域有基本認知。

（2）集成各種典型自動化技術。集電氣裝配、PLC 程序編寫與調試、故障診斷與排除、伺服控制、通信技術、單片機控制技術于一體。具備智能測距、位置檢測、狀態顯示、實時通信及控制等一系列功能，學生可在非接觸式智能洗車機實訓平臺上完成專業核心技能的訓練。

（3）項目設置靈活，便于開拓性學習。系統項目設置靈活，彼此相對獨立，不同年級的學生均可靈活地根據自己的學習情況選取實訓項目，同時完成的實訓項目又是整個實驗系統的一個有效組成部分。如三相異步電機的星三角啟動控制；三相異步電機+電磁閥的組合可以完成系統的底盤沖洗功能；三相異步電機+電磁閥+變頻電機可完成車輛的前后高壓沖洗；同時所有項目完成后就是一個獨立的非接觸式洗車機系統，可滿足不同課程、不同層次教學的需要。

2 非接觸式智能洗車機硬件系統設計

非接觸式智能洗車機系統包含機械設計部分和電氣設計部分。機械設計部分由于與電氣自動化技術專業的核心培養目標關聯不大，在此就不贅述。電氣設計部分分為硬件設計和軟件設計，其中硬件設計包含無線遙控、LED 顯示、RFID 刷卡電路以及PLC 控制電路，硬件系統總體結構示意圖如圖1 所示，圖2 為實驗系統實物圖。

圖1 非接觸式智能洗車機總體結構示意圖

圖2 非接觸式智能洗車機實物圖

非接觸式智能洗車機能實現以下功能：

（1）利用超聲波傳感器自動檢測車輛寬度，從而確定洗車機的橫向移動距離，以確保最佳沖洗效果；

（2）利用紅外對射傳感器檢測車輛停放位置，確保待洗車輛停在指定區域，保證洗車過程中車輛不受洗車臂的損壞；

（3）RFID 刷卡系統實現付費后自動啟動智能洗車流程；

（4）語音與顯示部分提示駕駛人員車輛正確的停放位置及洗車的具體進展；

（5）無線遙控部分可實現刷卡后手動遙控洗車；

（6）三相高壓泵電路啟動高壓泵，通過與電磁閥的組合可實現底盤沖洗和高壓清水洗車時，水壓能達到足夠的沖洗壓力；

（7）單相泡沫泵啟動泡沫泵，通過與電磁閥的組合可實現不同泡沫進行洗車；

（8）觸摸屏可顯示系統各傳感器狀態、選擇洗車模式、重新設置洗車模式、初始參數設置等；

（9）變頻電機可實現智能洗車機活動部分的縱向移動，從車頭運動到車尾；

（10）伺服電機可實現智能洗車機的橫向運動，從車輛左側運動到車輛右側；

（11）步進電機控制洗車臂的旋轉運動，保證洗車臂圍繞車身旋轉，車輛的前臉、尾部、左側、右側均能洗到；

（12）通信網絡實現兩個PLC 之間數據信息的傳遞。

智能洗車機的實踐分為基礎實訓和拓展實訓兩大類，基礎實訓以功能性實訓項目為主，讓學生利用開發的智能洗車機硬件平臺完成基本洗車功能的實訓；拓展性實訓由學生發揮主觀能動性，自主設計部分硬件電路/所有硬件電路和完成部分軟件設計/全部軟件設計，自由探索解決路徑，全流程參與方案設計與系統綜合調試，培養學生解決實際工程問題的能力。

3 實訓項目開發

基于智能洗車機的實訓項目開發如表1 所示。

表1 實訓項目

表1 實訓項目

4 結語

開發的非接觸式智能洗車機來自實際工業產品，涵蓋了高職電氣自動化技術專業的所有核心能力點，能滿足高職電氣自動化技術專業綜合實訓的基本教學要求與技能拓展訓練需求，以加強學生的工程概念、工程實踐能力和創新意識培養，滿足企業崗位實際技能需求為目標。能夠有效地完成PLC 技術、傳感與檢測技術、觸摸屏技術、變頻控制技術、伺服電機控制技術、步進電機控制技術等課程的實踐教學任務，能將課堂知識與工程實踐緊密結合，有利于提升教學效果和培養學生的工程實踐能力。