李偉

（安徽機(jī)電技師學(xué)院，安徽蚌埠233010）

制造業(yè)被認(rèn)為是現(xiàn)代社會的主要經(jīng)濟(jì)支柱之一。然而，在過去的10年中，各個技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展導(dǎo)致了制造系統(tǒng)的重大變化?，F(xiàn)代工程師所要求的技能不斷發(fā)展，學(xué)生在中職學(xué)習(xí)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(xué)生們還被證明，當(dāng)應(yīng)用問題迫使他們跳出邊框思考時了解終身教育的學(xué)生將獲得顯著的收益，從而發(fā)展出一套包括復(fù)雜問題解決、批判性思維和創(chuàng)造力在內(nèi)的重要技能。實踐證明，通過實踐學(xué)習(xí)，是促進(jìn)關(guān)鍵技能發(fā)展的最有效途徑之一。因此筆者構(gòu)思了這篇文章，希望會為各讀者帶來幫助。

1 機(jī)床電器與PLC概述

1.1 機(jī)床電器的概念

機(jī)床電器是對金屬或其他剛性材料進(jìn)行成形或加工的機(jī)器，通常通過切削、鏜孔、磨削、剪切或其他變形形式來實現(xiàn)。機(jī)床電器使用某種工具進(jìn)行切削或成形，所有的機(jī)床電器都有一些約束工件的方法，并提供機(jī)器零件的導(dǎo)向運(yùn)動。因此，工件與刀具之間的相對運(yùn)動，即所謂的刀具軌跡至少在一定程度上是由機(jī)器控制[1]或約束的而不是完全隨意的。它是一種動力驅(qū)動的金屬切削機(jī)床電器，可以幫助管理刀具和工件之間所需的相對運(yùn)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(yè)數(shù)字計算機(jī)經(jīng)過加固而適用于控制制造過程，如裝配線、機(jī)器人設(shè)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(yè)開發(fā)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(wù)。自那時以來，它們已被廣泛用作適用于惡劣環(huán)境的高可靠性自動化控制器。

2 機(jī)床電器應(yīng)用教學(xué)方法研究

機(jī)床電器應(yīng)用教學(xué)現(xiàn)在的工作旨在為中職學(xué)生提供一個成功的基于工業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)框架[3]，同時通過教學(xué)工廠范式為企業(yè)提供新的工程解決方案。教學(xué)工廠理念是一個雙向的知識溝通渠道，為課堂提供行業(yè)實踐，為工廠提供“新”知識。下面介紹了促進(jìn)知識交流所需的教育方法和ICT基礎(chǔ)設(shè)施。該框架和工具隨后在一個涉及協(xié)作機(jī)床設(shè)計場景的試點應(yīng)用程序中得到驗證。由四個中職學(xué)生組成兩個實驗學(xué)習(xí)小組，每個小組在一個特定的場景下進(jìn)行機(jī)器重新設(shè)計，并由三位老師進(jìn)行概述。介紹了兩個小組的進(jìn)展和整個過程中的發(fā)現(xiàn)。最后，針對激勵問題給出研究結(jié)果和結(jié)論。

2.1 教學(xué)工廠范式

當(dāng)代制造業(yè)是為了滿足日益增長的工業(yè)對生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)、工具和技術(shù)的要求而誕生的。對中職學(xué)生的培訓(xùn)和工業(yè)學(xué)習(xí)為目的是應(yīng)對技術(shù)的進(jìn)步，考慮到我國制造業(yè)的改進(jìn)和創(chuàng)新性能，構(gòu)成一個有希望的因素。然而，由于工業(yè)教育需要被制造領(lǐng)域的學(xué)習(xí)的學(xué)生直接接受，課堂內(nèi)的理論方法不足以滿足現(xiàn)有的培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要創(chuàng)新教學(xué)方法，將制造業(yè)教育與產(chǎn)業(yè)實踐相結(jié)合[4]，將先進(jìn)的知識導(dǎo)入生產(chǎn)，平衡資源型制造業(yè)(勞動力和資本)與知識型制造業(yè)(信息和知識)，確保產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步增長。

教學(xué)工廠與學(xué)習(xí)型工廠有著相似的理念，教學(xué)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(zhàn)，學(xué)生們面臨的問題使他們逐步了解工業(yè)領(lǐng)域，因此，中職學(xué)生能夠獲得制造經(jīng)驗和技能也能獨立面對和適應(yīng)工業(yè)需求。教學(xué)工廠是一個除了地理固定的學(xué)習(xí)空間外擁有先進(jìn)的信息通信技術(shù)和高檔工業(yè)說教的設(shè)備和經(jīng)營知識雙向溝通渠道的工廠教室和學(xué)術(shù)實驗室工廠。教學(xué)工廠中學(xué)生進(jìn)行實踐教學(xué)如圖1所示。

圖1 教學(xué)工廠中學(xué)生進(jìn)行實踐教學(xué)

2.2 教學(xué)工廠:一個合作機(jī)床設(shè)計案例

筆者設(shè)想了一個“工廠到教室”的操作方案包括采用一個工業(yè)驅(qū)動的項目驗證提出的教學(xué)工廠范例。教學(xué)工廠試點包括一個真實的工程挑戰(zhàn)，由工程專業(yè)的學(xué)生來詳細(xì)闡述。成立了兩個小組，每個小組由四名學(xué)生組成。每個團(tuán)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(jìn)行了評估。教學(xué)工廠試驗分五次進(jìn)行，學(xué)生小組使用視頻會議工具或當(dāng)面與老師進(jìn)行交流。

第一工作空間功能是銑削、激光結(jié)構(gòu)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(jī)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(yè)機(jī)器人，可以直接到達(dá)兩個工作空間，以便于對一系列不同的工序進(jìn)行協(xié)同加工 (使用機(jī)器人和機(jī)床電器主軸)。MTP設(shè)計允許在兩個工作區(qū)中并發(fā)處理而且并發(fā)進(jìn)程會相互影響[5]。然而，由于MTP獨特的運(yùn)行條件使得現(xiàn)有的市場上可用的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺設(shè)計是不合適的，需要一個量身定制的解決方案。這種旋轉(zhuǎn)工作臺的協(xié)同設(shè)計是教學(xué)工廠試驗的課題，這個實驗被組織成五個協(xié)作周期，通過這個周期，學(xué)生們將與老師們進(jìn)行互動，以推進(jìn)他們的設(shè)計，遵循特定的設(shè)計周期。

在第一階段的課程中，學(xué)生們將真實的工業(yè)問題呈現(xiàn)給兩個學(xué)生小組，通過互動的方式，包括與生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程視頻連接，讓學(xué)生們了解所涉及的概念、操作和挑戰(zhàn)。此外，還應(yīng)討論對各種設(shè)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(shè)計規(guī)范。規(guī)范對于兩個團(tuán)隊都是通用的，并且在整個設(shè)計過程中都使用了規(guī)范。學(xué)生團(tuán)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(nèi)起草初步設(shè)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(biāo)準(zhǔn)嘗試了一個主要的材料評估，并通過實現(xiàn)權(quán)重因素，導(dǎo)致鑄鐵作為最終的選擇。提出了三種旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺的設(shè)計方案，并根據(jù)成本、重量、制造和裝配難度等因素，選擇了最終的設(shè)計方案。團(tuán)隊2選用鋼材作為材料，根據(jù)材料的平均力學(xué)性能。他們的設(shè)計是基于結(jié)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(tài)性能。此外，還對重量進(jìn)行了評估。第四階段重點對所選方案進(jìn)行了詳細(xì)的動力和熱分析。兩隊利用有限元分析工具對模態(tài)和熱彈性分析的初步設(shè)計的最后，在第五個周期，學(xué)生團(tuán)隊提出他們的迭代設(shè)計過程基于動態(tài)和熱分析的結(jié)果和結(jié)論的最終解決方案的協(xié)同設(shè)計過程。團(tuán)隊1通過引入整個裝配(現(xiàn)有的機(jī)床和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺)，進(jìn)一步細(xì)化了他們的分析邊界。在此基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)中部局部加筋以減小最大變形。然而，在模態(tài)分析迭代仿真過程中，即使經(jīng)過多次設(shè)計改進(jìn)發(fā)現(xiàn)所選材料也不能滿足要求。為了解決這個問題，團(tuán)隊將選擇的材料改為鋼材。第二小組改進(jìn)了他們的設(shè)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(tuán)隊的設(shè)計都達(dá)到了最初的規(guī)格。

3 PLC應(yīng)用教學(xué)方法研究

可編程序控制器(PLC)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制和制造系統(tǒng)。開發(fā)PLC程序的分析方法有狀態(tài)圖、Petri網(wǎng)絡(luò)圖、真值表和布爾代數(shù)。所有這些方法都有助于在復(fù)雜系統(tǒng)中開發(fā)一系列控制PLC程序，但沒有一種方法可以實現(xiàn)程序的全自動開發(fā)。在傳統(tǒng)的PLC編程教學(xué)方法中，如狀態(tài)圖，首先要構(gòu)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(jìn)行更改，然后將圖轉(zhuǎn)換成PLC程序并進(jìn)行測試，然后再次測試新程序。這個反復(fù)試驗的過程一直持續(xù)到開發(fā)出一個沒有bug的程序為止。這個反復(fù)試驗的步驟不會導(dǎo)致自動的程序開發(fā)技術(shù)。筆者在下文提出了一種新的控制器設(shè)計方法和程序控制編程方法，供教師和工業(yè)培訓(xùn)師使用。這種新方法將是一個有用的工具，教初學(xué)者以更快的方式開發(fā)PLC程序。這種新方法結(jié)合了來自各種技術(shù)的一些關(guān)鍵概念，以交付一種新穎但有效的自動化方法。這種新技術(shù)通過兩個簡單的步驟將真值表轉(zhuǎn)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(fù)雜系統(tǒng)的順序控制程序的開發(fā)。筆者通過研究驗證了該方法的有效性，這種新的教學(xué)方法已可以應(yīng)用于中職學(xué)生。這項研究將工程技術(shù)專業(yè)的學(xué)生分成兩組。其中一組采用傳統(tǒng)的PLC編程教學(xué)方法，另一組采用新方法。使用相同的測試，結(jié)果表明，與另一組相比，使用新技術(shù)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(shù)，該技術(shù)通過兩個簡單的步驟將真值表轉(zhuǎn)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(shù)專業(yè)學(xué)生中進(jìn)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(xué)習(xí)，使其更容易、更快地理解。

3.1 PLC教學(xué)研究方法

為了創(chuàng)建完全自動化的設(shè)計過程，必須開發(fā)一種完全消除反復(fù)試驗過程的方法。為了消除反復(fù)試驗或編程必須在設(shè)計變量和性能變量之間建立一種清晰的分析關(guān)系。真值表和布爾代數(shù)多年來一直被用來自動設(shè)計數(shù)字電子電路。然而，在電路設(shè)計中使用的技術(shù)并不直接導(dǎo)致PLC程序的自動化。一般來說，一個真值表將被開發(fā)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(guān)心每個物理上是不可能組合。此外，在電子電路中，只關(guān)心輸出的低(關(guān))或高(開)狀態(tài)，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(xué)生編寫的PLC程序。

圖表217名中職學(xué)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(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)；⑥在第二個輸出行中，輸入使系統(tǒng)完成下一步所需的輸出條件；⑦重復(fù)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(zhuǎn)到第9步，如果沒有為每個重復(fù)行添加一個內(nèi)部繼電器(寄存器)；⑨為每個輸出創(chuàng)建兩個布爾方程。一個代表低能級，一個代表高能級；⑩創(chuàng)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(chuàng)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(xué)生合作進(jìn)行的。本實驗將提供有關(guān)使用真值表作為創(chuàng)建梯形邏輯程序的一種方法來學(xué)習(xí)PLC編程的易用性的數(shù)據(jù)。學(xué)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(jīng)驗。

在所有參與者中，只有12%的人認(rèn)為自己事先對PLC有相當(dāng)?shù)牧私?。實驗測試表明，與其他組相比，使用TT法的學(xué)生有較大的時間優(yōu)勢。TT學(xué)生在較短的時間內(nèi)完成了創(chuàng)建一個完全可操作的梯形邏輯程序的任務(wù)。測試結(jié)果表明，TT學(xué)生編寫梯形邏輯程序平均耗時44 min/avg，而T/E學(xué)生平均耗時55 min/avg，而且其PLC編程存在問題。TT學(xué)生只需要6.67min就可以創(chuàng)建一個功能良好的真值表，這形成了一個完全運(yùn)行的PLC程序。另一方面，只有25%的T/E學(xué)生在沒有事先知識的情況下能夠完成創(chuàng)建一個可工作的PLC程序的任務(wù)。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(fù)雜性。

4 結(jié)語

教學(xué)工廠是一種概念，它以一種全新的方案轉(zhuǎn)變制造教育范式，提高效率，學(xué)習(xí)依賴于實際應(yīng)用。在工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生的參與下進(jìn)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(jié)合了各種技術(shù)的關(guān)鍵概念，提供了高效和自動化的機(jī)床電器與PLC教學(xué)方法。