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摘要：以工业现场实际生产应用为依据，选取典型控制环节，对PLC控制技术课程进行了一个基于职业能力培养为目标的项目化教学设计，给出了系统方案，从功能上讲，主要设计了生产线分拣模型、安全保护系统、PLC 电气控制系统、电气动系统、变频调速系统、触摸屏控制监测系统。该项目化教学实训装置突出职业教育教学特色，学习就是做项目，项目导向任务引领，既能充分调动学生的学习兴趣和积极性，又能让学生掌握企业技术岗位的核心职业技能。
关键词：项目化教学；实训装置；PLC；变频器
Project-based instructional design of PLC control technology based on professional ability training
TIAN Xiao-tao12，LI Yu-dong1
（1 School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；
2 Henan College of Industry & Information Technology，Jiaozuo 454000，China）
Abstract：Based on the actual production and application of the industrial site，the typical control link was selected，and a project-based instructional design based on vocational ability training was carried out for the PLC control technology course. The system plan was given. Functionally，the production line was mainly designed. Picking model，safety protection system，PLC electrical control system，electric moving system，variable frequency speed control system，touch screen control monitoring system. The project-based teaching and training device highlights the characteristics of vocational education，learning is to do the project，project-oriented task leadership，not only can fully mobilize students' interest and enthusiasm for learning，but also enable students to master the core vocational skills of corporate technology positions.
Key words：Project teaching；training equipment；PLC；frequency converter
高等职业院校的培养目标是培养面向生产、建设、服务和管理第一线需要的高技能人才，在我国加快推进社会主义现代化建设进程中具有不可替代的作用，因此我们要在专业课程教学中要突出职业教育需求。PLC控制技术是机电专业的一门实践性很强的核心技能课程，该课程主要任务是培养学生在PLC控制技术的基本操作技能和工业现场的实际应用能力。随着中国制造2025和工业4.0概念的提出，PLC控制技术在高技能人才的培养过程中所起的作用越来越突出。但目前一些职业院校的PLC实训装置和设备大部分是依靠触点和LED灯模拟实现各种功能，能够帮助初学者快速掌握PLC的编程技巧，但不利于学生对PLC控制技术的深入了理解和工程项目的实施方法；或者是系统复杂，价格昂贵，最终大部分时间只是用于演示而不是操作，造成资金和场地的严重浪费。这些问题一定程度上限制了职业院校实训条件的改善和实训强度的提高，不利于学校的建设，也不利于学生职业核心技能和创新能力的培养。
本文以工业现场实际生产应用为依据，选取典型控制环节，对PLC控制技术课程进行了一个基于职业能力培养为目标的项目化教学设计，主要由生产线分拣模型、安全保护系统、PLC 电气控制系统、电气动系统、变频调速系统、触摸屏控制监测系统组成。该项目化设计方案的目的是培养学生综合运用PLC、变频器、HMI等专业核心技能，根据工业现场生产需要构建机电一体化系统、安装、编程、调试等解决工程实际问题的能力。该实训模型与当今工厂生产一线实际应用紧密结合，非常适合当今职业教育教学改革对工程实践能力和创新能力培养的要求。本PLC控制技术项目化教学设计不仅相对节约成本，而且能够让学生清晰认识理解PLC控制系统从设计、设备选型、实施、调试的全过程，能够充分调动学生的学习兴趣和积极性，还能够全方位的培养学生的安全意识、团队协作能力、职业素养、职业核心技能和创新能力。
1 基于PLC控制的生产线分拣实训装置方案设计
为了突出职业教育特色，全面培养学生的职业核心技能和创新能力，基于PLC控制的生产线分拣实训装置由生产线分拣模型、安全保护系统、PLC 電气控制系统、电气动系统、变频调速系统、触摸屏控制监测系统组成，系统组成框图如图1所示。
1）生产线分拣模型。设计制作了“生产线分拣模型”，以该模型作为PLC控制系统的控制对象，包括料筒、推料气缸、滑道、底座、输送带等基本部件。工作过程包括：推料气缸将料筒里面的物料根据控制要求按照手动自动工作方式推入滑道，物料经过滑道时传感器进行材质识别和计数，物料通过滑道进入传送带，传送带监测到物料后驱动变频器控制三相异步电动机将物料运送到指定位置。 2）安全保护系统。在电动机回路和PLC电源回路均设有低压断路器，能够有效的起到短路保护和过载保护。为了保证系统的安全稳定运行，控制系统采用皮尔兹的安全继电器进行防护。安全继电器的作用是当设备突然出现故障时，在故障未消除或故障未确认前，设备是无法正常运转的，以此防止设备故障后突然运行给人身和设备带来的危险。
3）PLC电气控制系统。PLC采用西门子S7-200 smart系列经济版，性价比高，足够日后项目升级扩展使用，安装在控制柜内；控制柜内还有安全继电器、开关电源、继电器、变频器、低压断路器、接线端子等。操作指示面板包含触摸屏、急停开关、急停开关复位、系统运行总开关、运行状态指示灯、点动自动操作选择开关、点动自动运行开关、气缸伸出带指示灯开关、气缸缩回带指示灯开关、压力指示灯、初始位置指示灯。PLC根据控制要求，检测分拣装置的工作状态及传送带的运行速度，利用变频器实现传送带的运行速度控制。系统具有自动循环、手动操作工作方式，通过转换开关进行切换，模拟生产现场的调试与运行状态。
4）电气动系统。气动系统主要由气动三联件、三通、压力开关、主阀、节流阀、气缸等组成。为推料气缸的正常工作提供控制和动力，当压力低于3bar时，压力开关断开，并给PLC发送控制信号停止控制系统工作，当压力高于3bar时，控制系统才能正常工作。
5）变频调速系统。调速设备采用的是西门子公司的MM420变频器，该变频器成本低廉简单易用。根据训练要求应用PLC发送控制信号给变频器，可以实现正反转、多段速控制等功能，能够满足职业院校学生掌握变频器应用技能的要求。同时使用编码器实现对三相异步电动机速度的监测和控制。
6）觸摸屏控制监测系统。利用触摸屏监测控制生产线分拣实训装置的实时工作状态和运行数据，以按钮动画指示、状态曲线、和工作数据图表的方式展示出来，既能用触摸屏进行控制实训装置进行工作，也能进行参数设置和状态数据指示。
2 安全保护系统设计
为保证系统的安全可靠运行，本设计采用皮尔兹安全继电器PNOZ X3进行双通道的安全防护，急停按钮S1采用双通道设计，任何一个通道故障，设备均无法运行；复位按钮S2回路与控制电机运行的接触器KM1、KM2的常闭触点串联，保证系统复位功能在设备正常运行状态失效。安全保护系统原理图如图2所示。
3 PLC电气控制系统设计
本设计采用西门子PLC CPU CR60作为主控单元，根据系统所实现的功能，PLC的输入点包括自动/手动切换、用来检测速度的编码器信号、位置检测信号等，输出点包括对变频器的控制信号、运动状态的指示信号等。PLC的接线图如图3所示。
4 电气动系统设计
电气动系统主要由一个二位三通电磁阀、一个二位五通电电磁阀、两个单向节流阀、一个压力开关和一个双作用气缸组成，工具工作要求，用PLC控制双作用气缸在手动和自动状态下伸出和缩回完成推送分拣物料的任务，电气动系统原理图如图4所示。
5 变频调速系统设计
变频调速系统主要是要实现点动运行、正反转或者多段速工作状态，从而模拟生产线的实际运行情况。本系统选用的是西门子公司的变频器MM420，该变频器设置简单，可快速让学生掌握利用PLC控制变频器实现以上工作状态或功能要求，变频调速系统工作原理图如图5所示。
6 触摸屏控制监测系统设计
本设计采用北京昆仑通态TPC7062Ti触摸屏，该触屏采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏并带有以太网端口。本设计中触屏与PLC采用网线直接连接，操作方便，连接简洁，既能实现监测功能，也可以通过触屏对系统进行控制操作。
7 结束语
本项目化教学设计方案集合了PLC控制技术、变频器控制技术、触摸屏控制技术、气动控制技术、电气安全保护等专业知识和技能，是机电一体化专业的综合性项目化教学实施方案，与工业现场实际应用紧密结合，突出了当前职业教育特色，符合国家培养高技能人才的需求。同时，该项目化设计需要配合“提出问题—讨论计划—学生决策—方案实施—学生自查—教师评估”的六步教学法，教师积极引导学生独立思考问题、解决问题，充分调动发挥学生的学习主动性和创新能力。该项目化实训方案自2013年在我院实施以来，学生的学习积极性显著提高，教学效果明显提升，不仅让学生又好又快地掌握专业知识，又培养了学生解决实际问题的能力、团队协作精神、发散思维和创新能力。
参考文献：
[1] 周飞，张英琦.《PLC电工实训装置控制系统设计》[J].电脑知识与技术，2013（11）：7146-7147.
[2] 吴卫荣，丁慎平，王寿斌.基于工作过程的项目化课程教学设计与实践——以《自动化生产线应用技术》课程为例[J].职业技术教育，2012（23）：26-28.
[3] 陈辉.高职《液压与气动技术》项目化教学的设计与实施[J].科技视界，2015（20）：41.
[4] 徐长英，张永.《电工实实训》教学改革探索与实践[J].电脑知识与技术，2010（6）：1673-1675.
[5] 缪燕平，蔡冬根.高职《CAD/CAM技术》课程改革与教材建设的探索与实践[J].职教论坛，2017（29）：64-66.
[6] 刘玉娟，崔健，周海君.基于职业能力培养的PLC课程开发与实施[J].职业技术教育，2015（17）：24-26.
[7] 戴建友.谈PLC改造继电接触器控制电路及问题分析[J].职业教育研究，2014（3）：118-120.
作者简介：
田小涛（1982-），男，河南漯河人，河南工业和信息化职业学院讲师，主要从事机电工程技术方面的教学与科研工作，发表论文4 篇。李玉东（1974-），男，河南商丘人，河南理工大学副教授，硕士生导师，主要从事电力电子技术、交直流调速技术等方面的教学与科研工作。
基金项目：
河南省“十三五”教育规划一般项目“‘互联网+教育’背景下开放实验管理系统研究与实践”，2017（2017-JKGHYB-0034），主持人：李玉东。
关键词：项目化教学；实训装置；PLC；变频器
Project-based instructional design of PLC control technology based on professional ability training
TIAN Xiao-tao12，LI Yu-dong1
（1 School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；
2 Henan College of Industry & Information Technology，Jiaozuo 454000，China）
Abstract：Based on the actual production and application of the industrial site，the typical control link was selected，and a project-based instructional design based on vocational ability training was carried out for the PLC control technology course. The system plan was given. Functionally，the production line was mainly designed. Picking model，safety protection system，PLC electrical control system，electric moving system，variable frequency speed control system，touch screen control monitoring system. The project-based teaching and training device highlights the characteristics of vocational education，learning is to do the project，project-oriented task leadership，not only can fully mobilize students' interest and enthusiasm for learning，but also enable students to master the core vocational skills of corporate technology positions.
Key words：Project teaching；training equipment；PLC；frequency converter
高等职业院校的培养目标是培养面向生产、建设、服务和管理第一线需要的高技能人才，在我国加快推进社会主义现代化建设进程中具有不可替代的作用，因此我们要在专业课程教学中要突出职业教育需求。PLC控制技术是机电专业的一门实践性很强的核心技能课程，该课程主要任务是培养学生在PLC控制技术的基本操作技能和工业现场的实际应用能力。随着中国制造2025和工业4.0概念的提出，PLC控制技术在高技能人才的培养过程中所起的作用越来越突出。但目前一些职业院校的PLC实训装置和设备大部分是依靠触点和LED灯模拟实现各种功能，能够帮助初学者快速掌握PLC的编程技巧，但不利于学生对PLC控制技术的深入了理解和工程项目的实施方法；或者是系统复杂，价格昂贵，最终大部分时间只是用于演示而不是操作，造成资金和场地的严重浪费。这些问题一定程度上限制了职业院校实训条件的改善和实训强度的提高，不利于学校的建设，也不利于学生职业核心技能和创新能力的培养。
本文以工业现场实际生产应用为依据，选取典型控制环节，对PLC控制技术课程进行了一个基于职业能力培养为目标的项目化教学设计，主要由生产线分拣模型、安全保护系统、PLC 电气控制系统、电气动系统、变频调速系统、触摸屏控制监测系统组成。该项目化设计方案的目的是培养学生综合运用PLC、变频器、HMI等专业核心技能，根据工业现场生产需要构建机电一体化系统、安装、编程、调试等解决工程实际问题的能力。该实训模型与当今工厂生产一线实际应用紧密结合，非常适合当今职业教育教学改革对工程实践能力和创新能力培养的要求。本PLC控制技术项目化教学设计不仅相对节约成本，而且能够让学生清晰认识理解PLC控制系统从设计、设备选型、实施、调试的全过程，能够充分调动学生的学习兴趣和积极性，还能够全方位的培养学生的安全意识、团队协作能力、职业素养、职业核心技能和创新能力。
1 基于PLC控制的生产线分拣实训装置方案设计
为了突出职业教育特色，全面培养学生的职业核心技能和创新能力，基于PLC控制的生产线分拣实训装置由生产线分拣模型、安全保护系统、PLC 電气控制系统、电气动系统、变频调速系统、触摸屏控制监测系统组成，系统组成框图如图1所示。
1）生产线分拣模型。设计制作了“生产线分拣模型”，以该模型作为PLC控制系统的控制对象，包括料筒、推料气缸、滑道、底座、输送带等基本部件。工作过程包括：推料气缸将料筒里面的物料根据控制要求按照手动自动工作方式推入滑道，物料经过滑道时传感器进行材质识别和计数，物料通过滑道进入传送带，传送带监测到物料后驱动变频器控制三相异步电动机将物料运送到指定位置。 2）安全保护系统。在电动机回路和PLC电源回路均设有低压断路器，能够有效的起到短路保护和过载保护。为了保证系统的安全稳定运行，控制系统采用皮尔兹的安全继电器进行防护。安全继电器的作用是当设备突然出现故障时，在故障未消除或故障未确认前，设备是无法正常运转的，以此防止设备故障后突然运行给人身和设备带来的危险。
3）PLC电气控制系统。PLC采用西门子S7-200 smart系列经济版，性价比高，足够日后项目升级扩展使用，安装在控制柜内；控制柜内还有安全继电器、开关电源、继电器、变频器、低压断路器、接线端子等。操作指示面板包含触摸屏、急停开关、急停开关复位、系统运行总开关、运行状态指示灯、点动自动操作选择开关、点动自动运行开关、气缸伸出带指示灯开关、气缸缩回带指示灯开关、压力指示灯、初始位置指示灯。PLC根据控制要求，检测分拣装置的工作状态及传送带的运行速度，利用变频器实现传送带的运行速度控制。系统具有自动循环、手动操作工作方式，通过转换开关进行切换，模拟生产现场的调试与运行状态。
4）电气动系统。气动系统主要由气动三联件、三通、压力开关、主阀、节流阀、气缸等组成。为推料气缸的正常工作提供控制和动力，当压力低于3bar时，压力开关断开，并给PLC发送控制信号停止控制系统工作，当压力高于3bar时，控制系统才能正常工作。
5）变频调速系统。调速设备采用的是西门子公司的MM420变频器，该变频器成本低廉简单易用。根据训练要求应用PLC发送控制信号给变频器，可以实现正反转、多段速控制等功能，能够满足职业院校学生掌握变频器应用技能的要求。同时使用编码器实现对三相异步电动机速度的监测和控制。
6）觸摸屏控制监测系统。利用触摸屏监测控制生产线分拣实训装置的实时工作状态和运行数据，以按钮动画指示、状态曲线、和工作数据图表的方式展示出来，既能用触摸屏进行控制实训装置进行工作，也能进行参数设置和状态数据指示。
2 安全保护系统设计
为保证系统的安全可靠运行，本设计采用皮尔兹安全继电器PNOZ X3进行双通道的安全防护，急停按钮S1采用双通道设计，任何一个通道故障，设备均无法运行；复位按钮S2回路与控制电机运行的接触器KM1、KM2的常闭触点串联，保证系统复位功能在设备正常运行状态失效。安全保护系统原理图如图2所示。
3 PLC电气控制系统设计
本设计采用西门子PLC CPU CR60作为主控单元，根据系统所实现的功能，PLC的输入点包括自动/手动切换、用来检测速度的编码器信号、位置检测信号等，输出点包括对变频器的控制信号、运动状态的指示信号等。PLC的接线图如图3所示。
4 电气动系统设计
电气动系统主要由一个二位三通电磁阀、一个二位五通电电磁阀、两个单向节流阀、一个压力开关和一个双作用气缸组成，工具工作要求，用PLC控制双作用气缸在手动和自动状态下伸出和缩回完成推送分拣物料的任务，电气动系统原理图如图4所示。
5 变频调速系统设计
变频调速系统主要是要实现点动运行、正反转或者多段速工作状态，从而模拟生产线的实际运行情况。本系统选用的是西门子公司的变频器MM420，该变频器设置简单，可快速让学生掌握利用PLC控制变频器实现以上工作状态或功能要求，变频调速系统工作原理图如图5所示。
6 触摸屏控制监测系统设计
本设计采用北京昆仑通态TPC7062Ti触摸屏，该触屏采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏并带有以太网端口。本设计中触屏与PLC采用网线直接连接，操作方便，连接简洁，既能实现监测功能，也可以通过触屏对系统进行控制操作。
7 结束语
本项目化教学设计方案集合了PLC控制技术、变频器控制技术、触摸屏控制技术、气动控制技术、电气安全保护等专业知识和技能，是机电一体化专业的综合性项目化教学实施方案，与工业现场实际应用紧密结合，突出了当前职业教育特色，符合国家培养高技能人才的需求。同时，该项目化设计需要配合“提出问题—讨论计划—学生决策—方案实施—学生自查—教师评估”的六步教学法，教师积极引导学生独立思考问题、解决问题，充分调动发挥学生的学习主动性和创新能力。该项目化实训方案自2013年在我院实施以来，学生的学习积极性显著提高，教学效果明显提升，不仅让学生又好又快地掌握专业知识，又培养了学生解决实际问题的能力、团队协作精神、发散思维和创新能力。
参考文献：
[1] 周飞，张英琦.《PLC电工实训装置控制系统设计》[J].电脑知识与技术，2013（11）：7146-7147.
[2] 吴卫荣，丁慎平，王寿斌.基于工作过程的项目化课程教学设计与实践——以《自动化生产线应用技术》课程为例[J].职业技术教育，2012（23）：26-28.
[3] 陈辉.高职《液压与气动技术》项目化教学的设计与实施[J].科技视界，2015（20）：41.
[4] 徐长英，张永.《电工实实训》教学改革探索与实践[J].电脑知识与技术，2010（6）：1673-1675.
[5] 缪燕平，蔡冬根.高职《CAD/CAM技术》课程改革与教材建设的探索与实践[J].职教论坛，2017（29）：64-66.
[6] 刘玉娟，崔健，周海君.基于职业能力培养的PLC课程开发与实施[J].职业技术教育，2015（17）：24-26.
[7] 戴建友.谈PLC改造继电接触器控制电路及问题分析[J].职业教育研究，2014（3）：118-120.
作者简介：
田小涛（1982-），男，河南漯河人，河南工业和信息化职业学院讲师，主要从事机电工程技术方面的教学与科研工作，发表论文4 篇。李玉东（1974-），男，河南商丘人，河南理工大学副教授，硕士生导师，主要从事电力电子技术、交直流调速技术等方面的教学与科研工作。
基金项目：
河南省“十三五”教育规划一般项目“‘互联网+教育’背景下开放实验管理系统研究与实践”，2017（2017-JKGHYB-0034），主持人：李玉东。