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项目式教学法在PLC课程教学中的应用

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  摘 要 文章从培养本科应用型人才出发,结合我校实践教学,以触摸屏实现人机对话的基于PLC控制的智能红绿灯控制系统为例,介绍了项目式教学法在PLC课程教学中的应用。
  关键词 项目式教学 PLC课程 触摸屏 交通灯
  中图分类号:G424 文献标识码:A   DOI:10.16400/j.cnki.kjdks.2015.10.041
  Application of Project Teaching Method in the Teaching of PLC
  LIU Hui
  (College of Mechanical and Electrical and Information Engineering, Hubei Business College, Wuhan, Hubei 430063)
  Abstract From the culture of undergraduate applied talents, combined with my school teaching, in order to achieve interactive touch screen based PLC control intelligent traffic light control system, for example, introduced the project teaching method in the teaching of PLC.
  Key words project teaching; PLC course; touch screen; traffic light
  0 引言
  可编程序控制器,简称PLC,是一种新型的工业控制装置。PLC使用方便,可靠性高,体积小,与机器人,CAD/CAM并称为工业自动化的三大支柱,在各个领域都获得了广泛的应用。传统的PLC实验设备都是实验台和实验箱,用LED灯模拟控制对象,I/O口已经接出,输入输出设备的线也已经接好,连线采用插线式,学生自主动手机会少,只需要简单编程控制就可以了,采用这样的实验装置虽然简化了实验步骤,但学生无法得到实际工程方面的训练,另外,由于价格、场地等客观原因,也很难在实验室全面配备各种工业控制对象,制约了实践教学的开展。
  1 项目设定
  我校根据学历教育+职业技能素质人才培养模式的要求,从培养工科应用型人才出发,构建实践教学体系,开展项目式教学,具体安排是集中8周的时间,转入项目式教学阶段,由老师给出相应数量的备选课题,学生每4~6人一组,同学们经过充分考虑,可以结合自身情况选择感兴趣的题目。从信息收集、方案设计与实施一直到完成任务后的评价,都由学生为主导完成,教师只是引导、指导和监督。项目式教学突出的特点就是要通过一个完整工程项目的实施,将课程相关知识点贯穿其中,从而提高教学的实践性。
  2 项目实施
  具体项目以触摸屏控制的基于PLC的红绿灯控制为例来说明。项目实施步骤如下:
  (1)根据控制要求,确定设计思路。先让每个学生根据控制要求,设计一个方案,并说明设计的依据,这样学生会本着解决问题的出发点去学习和思考。教师对每个设计方案的优缺点进行详细评估,鼓励创新做法,同学经过讨论分析,决定小组的最终方案。实际中采用的最终方案是:区分白天和黑夜两种工作方式,夜间十字路口为黄灯闪烁模式,另外增加两种紧急模式,一种是紧急过马路模式,此模式下,转为双向车行红灯,人行绿灯,几秒钟(时间可根据情况自由设定,设定范围为0.1~3276.7秒)后自动恢复。另一种是紧急行车模式,这种模式下,双向车行和人行红灯,给警车或救护车这些车让道。另根据监测到路口实际情况,用触摸屏实时修改主干道的红绿灯点亮的时间,让学生带着实际工程问题去学习,从该工程出发,引出各种国家标准,老师再引导同学去查阅相关资料和理论知识的补充。
  (2)确定I/O设备,选择PLC机型。在红绿灯系统中, I/O设备是按钮和三种颜色的指示灯。考虑到项目式教学的创新性和开放性,I/O口设置有30%的冗余,这样方便同学随时有新的控制想法都可以编程实施。根据实验室的设备情况,PLC主模块选用FX2N-32MR,扩展模块选用FX2N-32ER。
  (3)硬件电气线路设计与调试。设计主电路并根据国标绘制主电路图和PLC外部的控制电路,确定元件安装距离,计算电流大小以选择导线线径,根据元件尺寸及安装距离,用CAD绘图,确定安装板尺寸及元件开孔位置。购买元器件,将安装板开孔。电气线路接线,制作导线;元器件的焊接与安装;接线端、线槽的安装,进行电路接线。
  因为PLC控制系统中,供电电压为交流220V,电机控制组为380V的三相交流电。因此,为了安全起见,所有的线都需要预绝缘,必须有保护装置,采用空气开关作为电源引入开关,电压较高的部分做好绝缘措施,以免触电带来严重后果,放热量较大的器件必须做好散热处理,一定要有保护接地,最后在安装调试的时候,仔细检查线路是否有短接的可能。
  (4)软件设计和模拟调试。根据I/O口分配表,使用GX-developer8.86编程,并使用GX-simulator6调试。根据控制要求,用三菱触摸屏设计软件GT-designer2设计,在GT Simulator2调试。
  (5)系统联机调试。PLC输入输出电路接线,PLC与主机接线,通讯参数设置,主程序写入,触摸屏与主机接线,通讯参数设置,触摸屏程序写入,触摸屏与PLC接线,通讯参数设置,变频器与PLC接线,通讯及参数设置,PLC、变频器、触摸屏联合调试,与控制对象完成整体联机调试,(变频器只有控制电机组的才有)根据原理图仔细检查线路接线,通电测试。   (6)作品展示和评价:项目制作完成后,上交作品。每组同学制作10~15分钟的VCR,通过照片和运行视频将整个制作过程记录,与其他同学一起交流。先由学生自评,再由学生之间互评,最后老师结合程序的编写能力、作品效果、作品创意、学生运用专业知识分析解决实际问题的能力,在团队中起的作用,能否在老师的指导下自己查阅资料积极主动地整改等综合考虑,将成果交流阶段总结整理,给出具体的评价和分数。
  3 教学效果
  从运行的实际情况来看,项目式教学相比于传统课堂教学方式,可以调动学生主动学习的积极性,增加学生的参与感。
  (1)提高学生的学习积极性和主动性。学生带着具体任务学,有很强的目的性,促使学生在积极、主动的状态中学习、思考、判断,变“要你学”为“我要学”,遇见问题时,师生间相互交流和讨论,并在教师指导下看书、查资料,主动寻找解决方法,最终应用在实践中。
  (2)提高了学生的工程实践能力,学生通过项目式教学,完成软硬件设计、安装接线、调试运行,基本掌握了PLC控制系统的一般设计方法,工程实践能力得到提高。
  (3)有利于学生创新能力的培养,项目实施时,学生处于主体地位,实训室就是课堂,在宽松的学习环境里,可以充分发挥潜能,在老师的鼓励下大胆创新。在这项目中,学生利用波纹管,做出立体交通灯,并利用触摸屏,完成人机对话的智能红绿灯系统。
  (4)培养学生的团队协作意识和团队合作精神。因为项目式教学是以小组为单位完成一个项目,考虑到学生理论知识,实践动手、兴趣爱好方面都是有差异的,这时候就需要大家取长补短,协同合作。在项目式教学中,没有同学能完全置身在外,有的同学编程能力强,有的同学动手能力强,所有的同学都会参与其中,收集资料、做线、接线、采购、编程,很多同学反映,不好意思 “打酱油” ,最终是合作共赢的局面。
  4 项目式教学的感想
  (1)采用循序渐进的方式来推进项目。刚开始普遍有畏难情绪,可先做出按钮控制的十字路口红绿灯的编程,完成后,引导或提示他们增加部分功能,比如夜间模式、人控人行道模式,最后用触摸屏实现时间可调的人机界面控制系统。
  (2)定位为本科应用性人才的培养,因此对理论知识的要求不能降低。在项目式教学中,程序设计和实践教学并重,程序设计中,要求不仅完成基本指令的控制,可引导学生使用顺序控制设计法(SFC),综合以上要求,教材的内容就远远不够了,查阅资料、请教老师、同学之间的互相讨论,互相交流,变被动学习为主动学习。传统的教学偏重于理论教学,各门课程的实验之间相互分割,相互独立,缺乏综合性,在解决实际问题的过程中,涉及到了多学科的综合交叉,提高了学生的实践综合能力。
  (3)采用了计算机仿真技术和实践环节相结合的方法。如编程入门,调试有困难的,可先使用FX-TRN-BEG-C仿真学习软件,优点是有多种控制对象,编写的程序可以通过动画模拟仿真,直观,方便改变参数和调试。与编程软件GX-developer 8.86操作相同。熟悉后,再用GX-developer8.86编程并用GX-simulator6仿真调试。触摸屏组态设计GT-designer2并用GT Simulator2调试仿真,在调试成功后再写入PLC,学生可在课下自主完成,大大减少现场调试的时间,提高设备的使用率,提高效率。
  5 存在的问题
  (1)对教师提出了更高的要求。项目式教学虽然以学生为主导,但是教学绝对不能放任自流,这样效果会大打折扣,全程都必须有教师的指导和管理,教师根据每个项目,编制项目式教学进度安排,每天检查学生进度,及时了解项目进展情况,解答学生遇见的接线方面或者是编程设计方面的问题。
  (2)老师工作量增加了很多。传统的PLC实验设备都是实验台和实验箱,用LED灯模拟出控制对象,I/O口已经接出来,输入输出设备的线也已经接好,采用插线式,因此学生习惯做实验的简单实践思维方式,首要要保证安全,用空气开关接通电源,可以起到保护作用,因为PLC直接控制工业对象,可以直接驱动控制对象,电压为交流220V,电机控制组为380V的三相交流电。因此,为了安全起见,所有的线都需要预绝缘,老师必须做好安全把关,还要一边向他们传授如何用万用表查电路,一边协助学生查线。
  (3)学习项目数量少,课程的教学成本比较高,学校的投入比较大。在项目式教学中,触摸屏使用的GT940,触摸屏只有8种颜色,屏幕尺寸较小(320*240)。对有些功能不支持,因此画面不够炫。
  6 结束语
  项目式教学是个开放的教学环节,是一个师生双向交流的动态环节,它不可能完全按照教师的预先设计发展,老师引导、点拨,学生自学自得,师生互教互学,共同体会和享受创新教学的成果。
  参考文献
  [1] 汪建丰,沈月娣,孙和平.本科专业理论课程实施项目式教学的理论和实践[J].现代教育科学(高教研究),2012.6.
  [2] 金漫彤,孙烨.以项目式教学推进人才培养模式改革[J].教育教学论坛,2013.14.
  [3] 马玉玲.项目教学法在PLC课程教学中的应用[J].中国职业技术教育,2006.10.
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