机电一体化技术专业项目化教学设计①

田小涛

(河南工业和信息化职业学院 河南焦作 454000)

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，因此我们要在机电一体化技术专业教学中突出职业教育需求。本文以工业现场实际生产应用为依据，选取典型控制环节，对机电一体化技术专业核心技能训练进行了一个基于职业能力培养为目标的项目化教学设计，构建了一套实训装置。实训装置主要由分拣模型、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、实施到调试的全过程，能够充分调动学生的学习兴趣和积极性，还能够全方位地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 实训装置方案设计

图1 系统组成框图

图2 安全保护系统原理图

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，实训装置由生产线分拣模型、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，系统组成框图如图1所示。

（1）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，能够有效地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G120C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）触摸屏控制监测系统。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，工具工作要求是用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。

图3 PLC控制系统原理图

图4 电气动系统原理图

图5 变频调速系统原理图

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个G120C，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TPC1061Ti触摸屏，该触屏采用了10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 项目化教学实施过程

本项目化教学设计按照“任务引领、项目驱动”的思想对学生开展实训教学,该项目化教学在高职教育的最后一个学期开展，此时学生已经完成所有专业课程的学习，本项目化教学围绕完成一个具体的工程项目来考查、巩固所学的专业知识，从任务与职业能力出发，设定职业能力培养目标，以实际的项目为载体，培养学生时实践动手能力。在项目实施时过程中，教师不再直接参与到教学活动中，而是对学生进行纲领性的引导只要保证学生的实践方向符合课程的要求，放开手让学生自己去面对各种各祥的问题，每项任务的完成，需要学生分组解决各方面的问题，自己动手查阅资料，在实际的操作与检验中，能够使学生对暴露的问题有更深刻的认识和理解。

8 结语

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。