陳慧敏，張 靜，李 碩

（北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院，北京 100102）

一、引言

新基建是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系[1]。在新基建的背景下，智能產(chǎn)品的研制、智能服務(wù)的市場探索、智能工廠的建設(shè)落地、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的深度融合等為制造業(yè)翻開了新的篇章，也為我國高職院校創(chuàng)新復(fù)合型人才培養(yǎng)提供了全新的時代場景。教育部高教司司長吳巖同志在《夯實(shí)教學(xué)“新基建”，托起培養(yǎng)高質(zhì)量》的報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，要“抓課程質(zhì)量——人才培養(yǎng)的核心要素”；抓技術(shù)水平——學(xué)習(xí)革命的關(guān)鍵突破”[2]。為了解決高職院校電氣應(yīng)用技術(shù)相應(yīng)課程中存在的工程技術(shù)人為分割、技術(shù)工具缺乏更新等問題，北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院電氣自動化技術(shù)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在深入企業(yè)一線調(diào)研的基礎(chǔ)上，引入企業(yè)真實(shí)案例，以專業(yè)電氣設(shè)計(jì)軟件EPLAN Electric P8和EPLAN Pro Panel為教學(xué)工具，探索開發(fā)“智能電氣設(shè)計(jì)”課程。

二、傳統(tǒng)學(xué)科課程的現(xiàn)狀

“電氣應(yīng)用技術(shù)”對于電氣自動化技術(shù)專業(yè)以及相關(guān)的電類專業(yè)來說是比較重要的課程，目前很多高職院校開設(shè)了“電氣工程識圖與繪圖”“電氣控制技術(shù)”“PLC應(yīng)用技術(shù)”等相關(guān)課程。其中，“電氣工程識圖與繪圖”在授課過程中多采用AutoCAD軟件，但是AutoCAD軟件主要是用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并非專業(yè)的電氣設(shè)計(jì)軟件[3]，對于電氣設(shè)計(jì)中相關(guān)電氣元器件關(guān)聯(lián)、工程項(xiàng)目制造數(shù)據(jù)生成等諸多功能只能依靠人工實(shí)現(xiàn)，工作量龐大且易出錯，不利于企業(yè)工作效率的提升；“電氣控制技術(shù)”主要是在認(rèn)識電氣元器件的基礎(chǔ)上，側(cè)重于講授各種電氣控制電路的原理，但因限于學(xué)校實(shí)訓(xùn)室電氣設(shè)備的種類和數(shù)量，該課程在具體實(shí)操時無法做到每人都有實(shí)際布線和試車的機(jī)會，導(dǎo)致學(xué)生缺乏具體體驗(yàn)，難以理解工程數(shù)據(jù)；“PLC應(yīng)用技術(shù)”基本上是基于不同型號的PLC，講授關(guān)于PLC的各種指令的功能以及相應(yīng)的程序編寫，學(xué)生對于PLC設(shè)備硬件的了解非常匱乏，在脫離實(shí)訓(xùn)室的插接線裝置后，面對PLC實(shí)物諸多接線端子以及整體系統(tǒng)與其他電氣設(shè)備連接時束手無策。

三、課程設(shè)計(jì)的理念與思路

課題組在深入企業(yè)一線實(shí)踐、調(diào)研和培訓(xùn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)了解了企業(yè)電氣工程中的應(yīng)用技術(shù)，集中了解了企業(yè)電氣設(shè)計(jì)崗位的日常工作，收集了相關(guān)電氣設(shè)計(jì)案例資料，并對電氣設(shè)計(jì)崗位的典型工作任務(wù)進(jìn)行了分解，結(jié)合學(xué)校實(shí)訓(xùn)室常用電氣設(shè)備情況，在原有課程的基礎(chǔ)上，增設(shè)一門“智能電氣設(shè)計(jì)”課程。該課程的教學(xué)項(xiàng)目依據(jù)基于工作過程的課程設(shè)計(jì)理念進(jìn)行開發(fā)，其知識技能要求對接企業(yè)電氣設(shè)計(jì)相關(guān)崗位標(biāo)準(zhǔn)。在教學(xué)工具上，選擇市場迫切需求的、具備前瞻性的專業(yè)電氣設(shè)計(jì)軟件EPLAN為電氣設(shè)計(jì)工具[4]；在內(nèi)容設(shè)計(jì)上，引入企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目案例，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使其具備一定的趣味性、可視性，盡可能包含專業(yè)常用電氣元器件，讓其更符合職業(yè)院校學(xué)生的學(xué)習(xí)成長規(guī)律，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)；在內(nèi)容組織上，以一個完整的項(xiàng)目為基礎(chǔ)，基于工作流程，遵循學(xué)習(xí)者能力培養(yǎng)的基本規(guī)律，將知識點(diǎn)碎片化，工程案例任務(wù)化，教學(xué)任務(wù)情景化，任務(wù)內(nèi)容單元化，教學(xué)資源信息化，制作一系列微課教學(xué)視頻，輔助理論教學(xué)和實(shí)踐指導(dǎo)，采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，強(qiáng)化學(xué)生綜合素質(zhì)的提升和創(chuàng)新應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

四、教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

本課程注重工程應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)實(shí)務(wù)操作，以物流傳輸裝置為典型案例，從基于EPLAN Electric P8的項(xiàng)目規(guī)劃、原理圖繪制、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、報(bào)表生成的2D電氣設(shè)計(jì)，到基于EPLAN Pro Panel面向電氣制造的3D布局，完整實(shí)現(xiàn)從電氣設(shè)計(jì)到指定制造文件。具體教學(xué)項(xiàng)目包含四部分內(nèi)容，即項(xiàng)目準(zhǔn)備、電氣原理圖繪制、3D布局設(shè)計(jì)和項(xiàng)目輸出。

（一）項(xiàng)目準(zhǔn)備

在分析項(xiàng)目基本情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)物流傳輸裝置的電氣拖動原理，將所用電氣元件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并確定控制架構(gòu)，并根據(jù)這些信息設(shè)計(jì)出項(xiàng)目結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備基本布局及安裝位置，確定項(xiàng)目屬性和內(nèi)容，做好項(xiàng)目規(guī)劃準(zhǔn)備工作，即創(chuàng)建個人部件庫、建立項(xiàng)目結(jié)構(gòu)。

1.個人部件庫的創(chuàng)建

部件庫是電氣設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它相當(dāng)于電氣元器件的一個虛擬倉庫，可以包含每一個所需電氣元件的電氣邏輯、部件編號、所屬分類、尺寸和技術(shù)參數(shù)等信息，還可以根據(jù)需要添加此元件的圖片作為宏文件。部件庫將為原理圖選型和安裝板設(shè)計(jì)提供非常準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。但電氣元器件品牌眾多，如果每一種元器件都納入部件庫，很大程度上會影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，另外，每個企業(yè)都有自己常用的電氣元器件，所以最好是創(chuàng)建屬于個人的部件庫。尤其對于企業(yè)的設(shè)計(jì)人員來說，創(chuàng)建屬于個人（企業(yè)）的部件庫不但可以快速查找電氣設(shè)計(jì)所需要的元器件，還可以根據(jù)企業(yè)偏好設(shè)置更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步提高工作效率。

2.項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的建立

項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的建立對電氣裝置設(shè)計(jì)非常重要，尤其是在設(shè)計(jì)大型裝置時，可能涉及到幾十個電柜和幾百頁電氣原理圖紙，擁有清晰的層級結(jié)構(gòu)不但能幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行項(xiàng)目管理、相關(guān)器件的查找，而且后期對裝置進(jìn)行相應(yīng)升級或技術(shù)改造時也能提供非常大的便利[5]。

項(xiàng)目規(guī)劃主要包含高層代號規(guī)劃以及位置代號規(guī)劃。高層代號的管理主要用于從功能角度來進(jìn)行整體項(xiàng)目的分割，例如照明柜、動力柜等；位置代號的管理主要是位置結(jié)構(gòu)的分類，可以根據(jù)項(xiàng)目的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分，常用的分類有柜內(nèi)和柜外。另外還有一些特殊的需要安裝的位置，在具體項(xiàng)目中以樹結(jié)構(gòu)圖呈現(xiàn)。例如，物流傳輸裝置的樹結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示），表明項(xiàng)目結(jié)構(gòu)劃分為“物流傳輸裝置-標(biāo)題頁/封頁-目錄-報(bào)表-原理圖-安裝布局圖”，其中“物流傳輸裝置”為項(xiàng)目名稱，其他為“高層代號”，在“報(bào)表”下設(shè)立“柜內(nèi)”和“柜外”位置代號。這樣，利用“高層代號”和“位置代號”就可以對設(shè)計(jì)中所有的圖紙“頁”及其所涉及的設(shè)備、端子排等進(jìn)行定義，從而實(shí)現(xiàn)每一個元器件的精準(zhǔn)定位。

圖1 項(xiàng)目樹結(jié)構(gòu)圖

（二）電氣原理圖的繪制

電氣原理圖的繪制是電氣設(shè)計(jì)的核心部分，通常包含了所有電氣控制的信息，如電氣系統(tǒng)供配電原理圖、電機(jī)拖動原理圖、PLC控制原理圖、信號輸入輸出原理圖和端子連接原理圖等。本課程所選取的“物流傳輸裝置”包含普通電氣工程中常見的電氣設(shè)備，且電路涉及主電路、繼電控制回路、變頻器及直流電源控制回路、PLC供電電路、PLC數(shù)字量輸入電路、PLC數(shù)字量輸出電路、HMI電源電路。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，將該控制系統(tǒng)劃分為12個學(xué)習(xí)任務(wù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不但能掌握各電氣設(shè)備符號的繪制、電氣控制原理，而且能快速熟悉電氣元件、端子和電纜等設(shè)備型號，貼近企業(yè)實(shí)際。

（三）3D布局設(shè)計(jì)

在運(yùn)用EPLAN Electrical P8軟件進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)之后，基于其繪制的電氣原理圖和同一套數(shù)據(jù)庫，可以使用EPLAN Pro Panel軟件進(jìn)行拓展，實(shí)現(xiàn)電氣工程3D虛擬數(shù)字化設(shè)計(jì)，完成電氣工程中的元件虛擬仿真安裝布局設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)、以及自動生成2D元件布局工藝圖、2D開孔圖等加工工藝文件，形成適合企業(yè)一線操作工具體操作的指導(dǎo)文件。該項(xiàng)目中的關(guān)鍵技能主要有宏部件的創(chuàng)建、3D布局和布線。

1.宏部件的創(chuàng)建

在進(jìn)行元件虛擬仿真安裝時，要求電氣原理圖中每種元器件都對應(yīng)有一個3D宏，除了EPLAN軟件本身自帶的3D宏部件以外，可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行創(chuàng)建，具體步驟如下所述。

第一步：獲取或者制作設(shè)備（元器件）對應(yīng)的三維圖形.step格式的源文件；

第二步：將源文件導(dǎo)入布局空間，并進(jìn)行邏輯組件合并；

第三步：完成設(shè)備的安裝面和連接點(diǎn)定義，注意其連接點(diǎn)必須與原理圖中相應(yīng)連接點(diǎn)保持一致，否則無法進(jìn)行自動布線；

第四步：保存3D宏。

完成設(shè)備3D宏創(chuàng)建后，需要將其與個人部件庫中相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣在以后的電氣設(shè)計(jì)中就可以直接使用了，圖2是制作完成的西門子按鈕3D宏。

圖2 西門子按鈕3D宏

2.3D布局和布線

單擊軟件菜單欄中“項(xiàng)目數(shù)據(jù)”—“設(shè)備/部件”—“3D安裝布局導(dǎo)航器”，打開“3D安裝布局”導(dǎo)航器，在該導(dǎo)航器中，可選中相應(yīng)的設(shè)備，通過單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“放置”，在相應(yīng)的導(dǎo)軌上安裝設(shè)備。

設(shè)備安裝完成后，根據(jù)具體情況進(jìn)行布線路徑網(wǎng)絡(luò)定義，最后完成自動布線。通常而言，布線主要是在前后安裝板以及門板上，因此需要對這些地方的布線走向是否清晰、方向是否正確、是否存在飛線以及導(dǎo)線是否連在對應(yīng)的安裝點(diǎn)上進(jìn)行檢查，如果有問題，就進(jìn)行布線路徑修改、連接點(diǎn)排列樣式方向修改，并檢查設(shè)備的3D宏屬性中連接點(diǎn)方向及代號是否設(shè)置正確，完成修改后重新生成布線。圖3為完成布線的“物流傳輸裝置”3D視圖。

（四）項(xiàng)目輸出

項(xiàng)目輸出主要指的是項(xiàng)目數(shù)據(jù)輸出，其主要形式為報(bào)表，使用比較多的是部件匯總表、電纜圖表、端子圖表等，另外，還有模型視圖以及通過標(biāo)簽的方式將EPLAN格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出為第三方數(shù)據(jù)。根據(jù)企業(yè)的具體需求，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場箱柜、元器件、電纜、端子等相應(yīng)設(shè)備的統(tǒng)計(jì)，以方便指導(dǎo)一線工作人員具體操作。本項(xiàng)目主要完成如何利用EPLAN軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，通過“工具—部件—報(bào)表”“插入—圖形/報(bào)表—模型視圖”“制造數(shù)據(jù)—導(dǎo)出/標(biāo)簽”等功能完成相應(yīng)的項(xiàng)目數(shù)據(jù)輸出。這不但有利于提高工程設(shè)計(jì)人員工作效率，而且有效避免了因人為統(tǒng)計(jì)疏漏而出現(xiàn)工程數(shù)據(jù)錯誤，確保了工程質(zhì)量。

圖3 “物流傳輸裝置”3D視圖

五、結(jié)語

目前，本課程采用具備前瞻性的專業(yè)電氣設(shè)計(jì)軟件EPLAN Electric P8和EPLAN Pro Panel為教學(xué)工具，引入了企業(yè)真實(shí)的項(xiàng)目案例，并對課程開發(fā)進(jìn)行了探索，已制作完成微課教學(xué)視頻27個，開發(fā)了一部基于工作流程的活頁教材。從教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)來看，本課程從電氣工程項(xiàng)目規(guī)劃到項(xiàng)目數(shù)據(jù)輸出，注重新技術(shù)和數(shù)據(jù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高效工程設(shè)計(jì)和跨學(xué)科合作；從教學(xué)過程來看，基于工作流程，任務(wù)劃分清晰明確，且任務(wù)與任務(wù)之間環(huán)環(huán)相扣，任務(wù)效果生動形象，學(xué)生全程投入；從教學(xué)效果來看，學(xué)生能夠?qū)﹄姎夤こ趟婕暗南嚓P(guān)應(yīng)用技術(shù)融會貫通，對電氣設(shè)計(jì)圖紙最終呈現(xiàn)工程效果構(gòu)建立體清晰的實(shí)物形象，從而對電氣工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)、功能、特性有了全新理解。實(shí)踐證明，該課程的學(xué)習(xí)不但幫助學(xué)生拓展了就業(yè)范圍，提高了工作崗位能力，而且?guī)椭鷮W(xué)生快速掌握使用EPLAN軟件的技能和技巧，得到了相關(guān)企業(yè)的認(rèn)可。