PLC精確定位控制的線上線下混合式教學(xué)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(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000)

0 引言

在《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中提出要推動制造業(yè)優(yōu)化升級，深入實施智能制造和綠色制造工程，發(fā)展服務(wù)型制造新模式，推動制造業(yè)高端化、智能化和綠色化。在智能制造的自動化生產(chǎn)線中，PLC作為工業(yè)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(tǒng)等工業(yè)控制裝備作為重點研制對象,用于提升制造業(yè)的核心競爭力[1]。因此，高職院校裝備制造類專業(yè)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生智能制造自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)設(shè)計與裝調(diào)維護能力[2]。湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電教研室結(jié)合學(xué)校已有的自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)室，以YL-335B自動化生產(chǎn)線考核實訓(xùn)裝備為載體進行了PLC項目式教學(xué)改革，以設(shè)備的各個單站控制和聯(lián)調(diào)作為項目開展教學(xué)。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(chǎn)線的聯(lián)調(diào)。每個項目都是真實任務(wù)，具有實際的控制載體，而不像傳統(tǒng)教學(xué)用指示燈來代替載體，學(xué)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(wù)，學(xué)生的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計能力則會大大提升。

但在進行真實項目任務(wù)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計實施中，涉及到的理論知識比較龐雜，在課程中學(xué)生需要進行充分的理論學(xué)習(xí)。理論學(xué)習(xí)時間的增加，自然會導(dǎo)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(dǎo)致學(xué)生的積極性降低，學(xué)習(xí)效果不理想[4-5]。

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

1 教學(xué)目標(biāo)

以輸送單元的PLC控制項目中的子任務(wù)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(chǎn)線實訓(xùn)室的線上線下混合式教學(xué)的應(yīng)用。

1.1 素質(zhì)目標(biāo)

具備團隊合作、終身自主學(xué)習(xí)、邏輯思維及多角度思考問題的能力；塑造學(xué)生操作過程符合維修電工操作規(guī)范的安全意識和貫徹標(biāo)準(zhǔn)意識、企業(yè)6S管理要求的意識、勞動意識；逐步養(yǎng)成工作嚴(yán)謹(jǐn)和精益求精的工匠精神[6]。

1.2 知識目標(biāo)

了解機械手精確位置控制的機械結(jié)構(gòu)組成；了解伺服驅(qū)動器的原理；理解MADLN15SG伺服驅(qū)動器常見參數(shù)的作用；掌握MADLN15SG伺服驅(qū)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(yīng)用場合；掌握STEP 7-MicroWIN SMART軟件組態(tài)運動向?qū)У慕M態(tài)步驟；理解組態(tài)運動向?qū)r相關(guān)參數(shù)的含義；掌握運動向?qū)傻淖映绦蜃饔茫徽莆誗TEP 7-MicroWIN SMART軟件運動控制面板的使用。

1.3 能力目標(biāo)

會合理設(shè)置MADLN15SG伺服驅(qū)動器的參數(shù)；能根據(jù)控制要求進行硬件接線圖的設(shè)計；能完成PLC與MADLN15SG伺服驅(qū)動器的接線；會運用運動向?qū)傻淖映绦蜻M行編程；會利用運動控制面板調(diào)試組態(tài)的軸；會使用STEP 7-MicroWIN SMART軟件的狀態(tài)監(jiān)控表；能完成PLC精確定位控制的調(diào)試。

2 教學(xué)組織實施

2.1 課前

2.1.1 任務(wù)引導(dǎo)

在本任務(wù)課程的前一個星期，在智慧職教平臺發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)。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(tài)監(jiān)控表實現(xiàn)機械手裝置以指定的速度到達(dá)任意位置。學(xué)生進行任務(wù)的確認(rèn)。

2.1.2 教學(xué)資源

在智慧職教MOOC平臺中，上傳了認(rèn)識機械手直線運動傳動組件的機械結(jié)構(gòu)、伺服系統(tǒng)的工作原理、MADLN15SG伺服驅(qū)動器常見參數(shù)含義及設(shè)置、STEP 7-MicroWIN SMART軟件運動向?qū)ЫM態(tài)過程、運動向?qū)傻母髯映绦蚓唧w應(yīng)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(guān)測試。

2.1.3 學(xué)習(xí)情況反饋

通過智慧職教MOOC平臺的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)所有學(xué)生均已完成了課前資源的學(xué)習(xí)。結(jié)合闖關(guān)測試和學(xué)生留言，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于伺服驅(qū)動器參數(shù)的含義、運動向?qū)ЫM態(tài)的參數(shù)含義和子程序應(yīng)用方面存在問題。為此，將這三部分的內(nèi)容定為本任務(wù)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(xué)環(huán)節(jié)。

1)各小組根據(jù)現(xiàn)場的實際設(shè)備，找到相應(yīng)的機械手裝置，并在任務(wù)書中填寫相應(yīng)部件名稱，并繪制傳動系統(tǒng)框圖。

2)確保系統(tǒng)處于斷電情況，將MADLN15SG伺服驅(qū)動器的I/O控制信號接頭拔下。然后給系統(tǒng)通電，并根據(jù)教師現(xiàn)場提供的伺服驅(qū)動器手動運行視頻，各小組完成伺服驅(qū)動器手動運行的參數(shù)設(shè)置，并驅(qū)動伺服電動機運行。讓學(xué)生直接感受伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機的運行過程，通過正反向的運行，了解設(shè)置的相關(guān)參數(shù)含義。而后斷電將伺服驅(qū)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(tài)運動向?qū)В唧w參數(shù)與視頻內(nèi)容一致，而后按照教師的程序完成運動向?qū)傻膯雍统跏蓟\動軸、尋找參考點、命令運動軸轉(zhuǎn)到所需位置和手動模式四個子程序調(diào)用，并將程序下載至PLC。

4)使PLC處于STOP工作狀態(tài)，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(zhí)行連續(xù)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(tài)參數(shù)并運行觀察機械手移動情況，從而幫助學(xué)生理解運動向?qū)ЫM態(tài)時各參數(shù)的含義。

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

6)理解了相應(yīng)子程序之后，單獨更改MADLN15SG伺服驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)方向參數(shù)Pr0.00(因標(biāo)準(zhǔn)出廠設(shè)置為1，在此改為0)，對比設(shè)置為1時，執(zhí)行運動向?qū)У氖謩幽Ｊ阶映绦颍^察機械手移動的方向，可以理解此參數(shù)含義；而后將Pr0.00參數(shù)還原，再單獨修改指令脈沖旋轉(zhuǎn)方向Pr0.06參數(shù)(因標(biāo)準(zhǔn)出廠設(shè)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(jié)果，幫助理解Pr0.06參數(shù)的含義。并要求學(xué)生合理設(shè)置Pr0.00和Pr0.06參數(shù)組合，使軸的運動方向符合實際要求。最后修改每旋轉(zhuǎn)1圈的指令脈沖數(shù)Pr0.08參數(shù)(成倍擴大或縮小此參數(shù)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(biāo)位置時實際移動的距離，從而在對比運行中理解此參數(shù)的含義。

2.2.2 任務(wù)實施

通過上述幾個環(huán)節(jié)，各小組真實體驗解決了3個難點問題，接著進入本任務(wù)的重點內(nèi)容，機械手裝置的PLC精確定位控制任務(wù)實施。

1)各小組根據(jù)任務(wù)要求，進行工藝分析。主要確定機械手運動系統(tǒng)的組成、脈沖當(dāng)量、伺服驅(qū)動器具體參數(shù)、PLC發(fā)高速脈沖的形式、精確的位置坐標(biāo)、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(wù)書中寫明選型的理由。

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

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

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

6)進入系統(tǒng)調(diào)試階段。各小組4位成員的分工如下：1名安全員負(fù)責(zé)整體安全事項及工藝監(jiān)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(jiān)督，已經(jīng)將工藝規(guī)范文件以二維碼的形式粘貼在工作臺上)，1名程序員負(fù)責(zé)軟件編寫與下載，1名調(diào)試員完成伺服參數(shù)的設(shè)置及運行測試。小組根據(jù)調(diào)試結(jié)果，優(yōu)化程序。而后安全員將I/O分配、I/O接線圖、伺服參數(shù)設(shè)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(wù)完成后，各小組根據(jù)成果的照片和視頻進行匯報展示。小組之間根據(jù)控制系統(tǒng)的功能完整性、工藝整理情況及匯報的表達(dá)力等進行互評，選出本次任務(wù)的最佳組。組員內(nèi)根據(jù)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(xùn)室，完成任務(wù)的輪崗訓(xùn)練。此實訓(xùn)室有智能控制協(xié)會的成員進行現(xiàn)場安全與設(shè)備的維護。并通過在線平臺完成過關(guān)測試、反復(fù)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(jù)學(xué)生在任務(wù)實施中的具體表現(xiàn)、成果匯報等對學(xué)生進行實施過程評價，利用平臺數(shù)據(jù)對提交的成果、資源學(xué)習(xí)、闖關(guān)測試、過關(guān)測試、拓展知識的學(xué)習(xí)情況進行動態(tài)的綜合評價。

2.4 在教學(xué)環(huán)節(jié)融入工匠精神

通過課前課后資源的學(xué)習(xí)，可以逐步培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)習(xí)慣；通過小組合作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生團隊精神、鍛煉學(xué)生專業(yè)技術(shù)交流的表達(dá)能力和探究精神；在任務(wù)實施中，按照工藝規(guī)范文件的標(biāo)準(zhǔn)進行生產(chǎn)線各站的電氣接線和氣動回路的連接與檢查，從而養(yǎng)成貫徹工藝規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的意識；鼓勵對同一任務(wù)采用多種編程方法啟發(fā)多角度思考問題的能力；根據(jù)已經(jīng)設(shè)計的控制程序，通過反復(fù)調(diào)試養(yǎng)成精益求精的工匠精神；在任務(wù)實施過程中和任務(wù)完成后都必須遵守實訓(xùn)室的6S管理制度，從而形成職業(yè)素養(yǎng)和勞動意識。

3 結(jié)語

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