竇新宇

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院， 河北 唐山 063000)

0 引言

CDIO工程教育理念是近年來國際工程教育改革的熱點研究成果之一，其核心是以工程產(chǎn)品的全壽命周期為載體包括產(chǎn)品從設(shè)計到運(yùn)行的全過程，讓學(xué)生以互動的、可操作性的、實踐的、成果之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)理論知識、工程技術(shù)與實踐經(jīng)驗[1]。適用于CDIO項目式課程設(shè)計的教材少之又少。自動化專業(yè)在試點班級進(jìn)行核心課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革，課程設(shè)計實行“做中學(xué)”“學(xué)中做”“教、學(xué)、做一體化”的課程設(shè)計模式，根據(jù)課程設(shè)計教學(xué)目標(biāo)及課程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求安排若干個課程設(shè)計項目。學(xué)生每4～5人構(gòu)成一個課程設(shè)計項目團(tuán)隊，在項目實施過程中，學(xué)生以團(tuán)隊內(nèi)合作、團(tuán)隊間協(xié)作加競爭的方式進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí)，教師僅起到指導(dǎo)答疑的作用，促使學(xué)生完成構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運(yùn)行(CDIO)的全過程。每組同學(xué)在項目完成后都要向全班做匯報，老師、同學(xué)根據(jù)其完成情況進(jìn)行評價。在CDIO的基礎(chǔ)上，課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的核心技術(shù)和工程倫理道德，突出學(xué)生綜合技能的提升，使學(xué)生具有家國情懷、工程倫理、大國工匠精神的社會主義合格應(yīng)用型技術(shù)人才。

1 自動倉儲的PLC控制項目

1.1 項目引入

隨著社會經(jīng)濟(jì)和計算機(jī)、自動化技術(shù)的快速發(fā)展，作為物流業(yè)關(guān)鍵節(jié)點的倉儲系統(tǒng)已經(jīng)從原始的人工倉儲逐步向先進(jìn)的自動倉儲發(fā)展，并呈現(xiàn)出自動化、集成化、智能化的特點。

目前自動化立體倉庫在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)較為普遍, 日本是自動化倉庫發(fā)展最為迅速、數(shù)量最多的國家，此外美國、德國等國家也建造了許多自動化倉庫發(fā)展至今，自動化倉庫在設(shè)計、制造、自動化控制等方面的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，采用合理的自動化控制系統(tǒng)加快了運(yùn)行和處理速度, 降低了操作人員的勞動強(qiáng)度, 提高了勞動生產(chǎn)率。

1.2 項目目標(biāo)

項目目標(biāo)具體包括專業(yè)知識目標(biāo)和課程思政目標(biāo)。專業(yè)知識目標(biāo)：掌握根據(jù)實際要求設(shè)計PLC外圍電路的方法；會根據(jù)實際控制要求設(shè)計簡單的梯形圖；掌握PLC控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)與繼電器-接觸器控制正反轉(zhuǎn)的區(qū)別。課程思政目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生工程倫理精神；訓(xùn)練學(xué)生的實際動手能力、培養(yǎng)學(xué)生工藝意識、標(biāo)準(zhǔn)意識、質(zhì)量意識，達(dá)到初步的CDIO工程項目的實踐能力。

1.3 項目考核要求

根據(jù)要求選擇硬件、畫出PLC外部接線圖；掌握PLC控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的編程技巧和設(shè)計方法；獨(dú)立完成整機(jī)安裝及調(diào)試過程；根據(jù)系統(tǒng)調(diào)試出現(xiàn)的典型故障狀況，修改相關(guān)設(shè)計；完成倉儲運(yùn)貨小車自動往返PLC控制電路設(shè)計。

1.4 CDIO項目實施

構(gòu)思(C)：項目構(gòu)思與任務(wù)分解，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，制定出工作計劃及工藝流程；設(shè)計(D)：學(xué)生分組設(shè)計項目方案；實現(xiàn)(I)：繪圖，元器件安裝與布線；運(yùn)行(O)：調(diào)試運(yùn)行與項目評價。

2 CDIO項目實施分解

2.1 項目構(gòu)思

根據(jù)現(xiàn)代化、智能化物流要求，可靠性高、運(yùn)營便捷高效的自動倉儲系統(tǒng)需求市場前景廣闊。首先，教師下發(fā)項目詳單，布置項目需要完成的任務(wù)及控制要求，介紹項目的應(yīng)用情況，進(jìn)行項目分析，引導(dǎo)學(xué)生分析PLC對電動機(jī)的控制要求；其次，引導(dǎo)學(xué)生完成項目所需知識、能力培養(yǎng)及軟硬件準(zhǔn)備工作；第三，提示學(xué)生項目所涉及PLC運(yùn)行控制的指令、工作原理，講解編程軟件的相關(guān)知識；第四，學(xué)生進(jìn)行小組分工，明確項目工作任務(wù)，小組成員討論項目如何實施，進(jìn)行任務(wù)分解，學(xué)習(xí)完成項目所需的知識，查找自動倉儲方面的PLC控制資料，制定項目實施計劃，確定工藝流程。

2.1.1 自動倉儲的PLC控制項目分析

某送料小車3點自動往返控制原理及要求如下：(1)按下SB1(啟動按鈕)，送料小車電機(jī)M開始正轉(zhuǎn)代表向前運(yùn)動；當(dāng)送料小車碰到SQ1(限位開關(guān))后， M開始反轉(zhuǎn)代表向后倒退。(2)送料小車后退直到碰到SQ2(限位開關(guān))后， M停止轉(zhuǎn)動，靜止時間為5 s。送料小車第二次前進(jìn)直到碰觸SQ3(限位開關(guān))，其第二次向后倒退。(3)當(dāng)?shù)诙蜗蚝蟮雇伺龅絊Q2時，送料小車停止運(yùn)行，延時10 s后重復(fù)上述動作[2]。

2.1.2 自動倉儲的PLC控制相關(guān)知識

PLC編程相關(guān)知識主要包括程序控制類指令和中斷處理類指令。

2.2 項目設(shè)計

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項目設(shè)計，并進(jìn)行分析、答疑；指導(dǎo)學(xué)生從經(jīng)濟(jì)性、合理性和適用性的角度進(jìn)行項目方案的設(shè)計，要考慮項目的成本，反復(fù)修改方案，點評修訂并確定最終設(shè)計方案。學(xué)生分組討論設(shè)計自動倉儲的PLC控制項目方案，在教師的指導(dǎo)與參與下，學(xué)生從多個角度、根據(jù)工作特點和工作要求制訂多種方案計劃，并討論各個方案的合理性、可行性與經(jīng)濟(jì)性，綜合評價方案擇優(yōu)確定最終方案實施計劃，分配好每名組員的工作任務(wù)。最終控制方案包括：控制要求，相關(guān)知識學(xué)習(xí)，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計，整體安裝，運(yùn)行調(diào)試6個環(huán)節(jié)。

(1)自動倉儲的PLC控制硬件設(shè)計。

主電路設(shè)計是電氣控制的正反轉(zhuǎn)主電路。元器件I/O分配輸入信號部分：啟動按鈕SB1對應(yīng)I0.0；B位置開關(guān)SQ1對應(yīng)I0.1；A限位開關(guān)SQ2對應(yīng)I0.2；C位置開關(guān)SQ3對應(yīng)I0.3；停止和過載開關(guān)SB2、FR對應(yīng)I0.4。輸出信號部分：正轉(zhuǎn)線圈KM1對應(yīng)Q0.1；反轉(zhuǎn)線圈KM2對應(yīng)Q0.2。設(shè)計PLC接線圖。

(2)自動倉儲的PLC控制程序編制。

PLC編程有3種常用方法分別為狀態(tài)圖、梯形圖和指令語句表，熟悉掌握3種方法的編程特點及區(qū)別[3-4]。

2.3 項目實現(xiàn)

教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項目實施，進(jìn)行系統(tǒng)安裝，講解項目實施的工藝規(guī)程和安全注意事項。學(xué)生分組進(jìn)入工程實訓(xùn)區(qū)，實際操作，在教師監(jiān)督指導(dǎo)下把元器件選好，并列出明細(xì)，列出PLC外部I/O分配表，畫出PLC外部接線圖，并進(jìn)行PLC接線與調(diào)試，填寫好項目實施記錄相關(guān)材料。自動倉儲PLC控制安裝步驟及工藝要求包括三個方面分別為：選配并檢測元器件和電氣設(shè)備；安裝元器件；實際布線。

2.4 項目運(yùn)行與評價

(1)項目運(yùn)行。

教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自動倉儲PLC程序調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行，講解調(diào)試運(yùn)行的注意事項及安全操作規(guī)程，并對學(xué)生的成果進(jìn)行評價。學(xué)生檢查運(yùn)料小車往返運(yùn)行PLC控制電路任務(wù)的完成情況，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行調(diào)試與運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，直到調(diào)試成功為止。分析不足，匯報學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)心得，展示工作成果；對項目完成情況進(jìn)行總結(jié)，完成項目報告，撰寫課程設(shè)計說明書。

(2)項目評價。

項目完成后，應(yīng)對各組完成情況進(jìn)行驗收和評定，具體驗收指標(biāo)包括：硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、程序調(diào)試、整機(jī)調(diào)試、功能擴(kuò)展、課程設(shè)計說明書、小組答辯7個方面。其中硬件設(shè)計主要考核根據(jù)繼電器-接觸器控制電路確定PLC點數(shù)和根據(jù)I/O點數(shù)選擇PLC型號、畫接線圖及實際接線；軟件設(shè)計主要考核根據(jù)控制要求編制梯形圖程序和用軟件輸入程序監(jiān)控調(diào)試；整機(jī)調(diào)試主要考核按照生產(chǎn)規(guī)程操作軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試，運(yùn)行設(shè)備整機(jī)調(diào)試；功能擴(kuò)展主要考核在滿足基本功能的基礎(chǔ)上開發(fā)出附加功能；課程設(shè)計說明書主要考核說明所規(guī)定的撰寫情況。

3 結(jié)語

全文以自動倉儲的PLC控制項目為例深入研究了CDIO模式應(yīng)用于電氣控制及PLC原理課程設(shè)計全過程的方案，分別從課程設(shè)計項目構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運(yùn)行4個方面進(jìn)行了深入研究。根據(jù)實踐教學(xué)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，本文所提方法適合唐山學(xué)院人才培養(yǎng)目標(biāo)，廣受師生好評，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)及教學(xué)效果，為今后唐山學(xué)院相關(guān)課程設(shè)計的開展提供了一種新的思路，具有一定的現(xiàn)實意義。