基于案例驅動的“機床電氣控制與PLC”教學探索與實踐

摘?要：“機床電氣控制與PLC”是機械工程專業課程，隨著工業機器人的發展，PLC技術在工業控制系統中發揮著越來越重要的作用，現階段已經發展成為自動化行業的主流技術之一。本文結合我校應用型大學的辦學理念，側重于學生的實踐能力培養，教學過程中以實際工程案例為驅動，將理論應用于實踐中，在知識傳授的同時，將德育元素融入教學內容，通過課程知識與工程實踐聯系，推進全員、全過程、全方位育人。

關鍵詞：機床電氣控制；PLC技術；教學改革；案例教學

中圖分類號：G642.0??文獻標識碼：A

Exploration?and?Practice?of?CaseDriven?Teaching

of?"Electrical?Control?of?Tool?Machine?and?PLC"

Chen?Hongsheng

School?of?Mechanical?Engineering，Taishan?University?ShandongTai’an?271000

Abstract："?Electrical?Control?of?Tool?Machine?and?PLC"?is?a?mechanical?engineering?course，with?the?development?of?industrial?robots，PLC?technology?plays?an?increasingly?important?role?in?industrial?control?systems，and?at?this?stage?has?developed?into?one?of?the?mainstream?technologies?in?the?automation?industry.This?paper?combines?the?philosophy?of?our?students'?applicationoriented?university，focusing?on?the?cultivation?of?students'?practical?ability，the?teaching?process?is?driven?by?actual?engineering?cases，applying?theories?in?practice，integrating?moral?education?elements?into?the?teaching?content?while?imparting?knowledge，and?promoting?allround，allprocess，allround?education?through?the?linkage?of?course?knowledge?and?engineering?practice.

Keywords：Electrical?control?of?tool?machine；PLC?technology；teaching?reform；casedriven?teaching

黨的二十大報告中指出“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐”［1］。隨著科技的快速發展，工業機器人已經在不同生產領域中得到了普及，成為提升企業內部生產質量和效率的關鍵構成部分。編程邏輯控制器（Programmable?Logic?Controller，簡稱PLC）［2］專為工業環境應用而設計，是工業機器人中核心的控制部件，通過優化其設計方案，能夠推動我國工業機器人系統的前行與發展［3］。PLC的應用領域非常廣，并正在迅速擴大。對于早期的PLC，凡是有繼電器的地方，都可采用。而對于當今的PLC，幾乎可以說凡是需要控制系統存在的地方就需要PLC。PLC技術有效結合了自動控制技術、通信技術、計算機技術，屬于一種新型現代技術，可廣泛應用于工業控制方面，其中包括CPU、存儲器、輸入出接口、外部編程設備等部分。其特點有可靠性高、抗干擾能力強，編程簡單、使用方便，功能完善、適應性強，使用簡單，調試維修方便，體積小、功耗低、重量輕等。

1?“機床電氣控制與PLC”課程簡介及培養目標

“機床電氣控制與PLC”是一門工程實踐性較強的專業課程，授課對象為機械設計制造及其自動化專業及智能制造工程專業學生。通過本課程學習，擬達到以下教學目標：

1.1?知識目標

（1）掌握常用低壓電器的結構和動作原理。

（2）掌握機床電氣原理圖的畫法和閱讀方法。

（3）熟練掌握三相異步電動機基本控制電路的原理。

1.2?能力目標

（1）掌握常用低壓電器元件的正確使用和選用方法。

（2）掌握簡單電路的板前線槽配線方法。

（3）掌握基本控制電路的故障檢修方法。

1.3?素養目標

（1）培養學生尊重行業規范、實事求是的精神。

（2）培養學生理論應用于實踐、積極探索、發現問題并解決問題的能力。

2?案例驅動課程建設思路

2.1?建設目標

“機床電氣控制與PLC”課程牽涉到電機與電力拖動基礎、電工基礎、檢測知識、機械基礎等基礎知識［4］。各教學項目根據能力培養目標的要點下設若干個教學任務，課程教學過程以項目的形式來組織與實施，每個教學任務均以典型設備的電氣控制系統為載體，并由故障案例或者設定的教學任務引出課程相關的知識點，引導學生在發現問題、分析問題、解決問題的過程中學習理論知識，并在學習過程中加深對知識的理解和應用［5］。

2.2?案例選擇

我?！皺C床電氣控制與PLC”課程中選用的工程案例，如表2所示，將授課內容與先進的科技結合在一起，與人們的日常生活結合起來，同時注重工程案例的創新，盡量開闊學生的設計思路，這就可以極大地調動學生的參與度和積極性。例如在物流搬運機器人控制系統設計時，學生很快會被先進的物流技術所感染，繼而主動去調研文獻，查閱相關的機械結構及控制系統設計，并主動在課堂實踐環節分享交流。

2.3?課程思政

“機床電氣控制與維修”是理論與實踐緊密結合的專業必修課，在授課過程中有機融入課程思政元素，在知識傳授的同時，潛移默化中達到育人目標，從而實現全員、全程、全方位育人。

結合理論知識，側重實踐教學，結合表2中的教學案例，激發學生課堂參與度和積極性，以工程實例為驅動，強化學生實踐操作能力，提高學生發現問題、解決問題的能力，增強學生的團隊合作意識和創新能力。

例如在講授電動機正反轉時，講解行業規范，觀看因實踐操作不規范造成的實驗室安全事故等警示案例視頻，提醒同學們時刻注意安全、敬畏生命，培養學生嚴謹求實、一絲不茍的職業精神，如表3所示。

3?教學實施

3.1?課程內容引入

智能快遞柜是一種自助式信息設備，可以讓客戶隨時訪問他們的物品，具有信息化、自助化的特點，是物聯網的智能化設備。智能快遞柜由柜體和控制系統兩部分組成。柜體由控制箱和大量的儲物空間組成，控制系統除電磁鎖和物品檢測傳感器都安裝在控制箱內，儲物空間分布在控制箱的四周用于存儲郵件，用于控制儲物空間柜門打開的電磁鎖和檢測儲物空間狀態的紅外檢測傳感器分別安裝在每一個儲物間內，整體結構由機械系統、控制系統、驅動系統、感知系統組成。

目前，快遞柜安裝在住宅小區、學校、企事業單位，主要利用現有的小空間布設。經常出現空間受限與需求量較大之間的矛盾，快遞柜向上空發展是快遞柜設計的基本思路，可是快遞柜過高又給存取快遞帶來不便。本案例提出了較新的設計思路以解決這一矛盾。

本案例中的快遞柜采用超高設計，超過人體尺寸部分的存取采用升降平臺加自動抽屜的設計，用戶不管是存還是取，均由升降平臺和自動抽屜來自動完成。升降臺閑時，向上折疊，工作面向里，這樣既可以保護工作面，也可以保證工作面潔凈。工作臺工作時，由電缸打開，工作臺的上下運動由快遞柜兩側的鏈條驅動，行程由接近開關控制。存物品時升降臺略高于空格底面，取物品時，升降臺略低于空格底面，以方便存取。

自動抽屜由電缸驅動通過電路中的電流變化控制行程，外止點和內止點設有擋鐵，當抽屜遇到擋鐵受到阻礙時，電缸中的電動機轉速下降，電路中的電流升高，當檢測到這一電流的變化，即認可抽屜到達止點。

這一設計思路可以較全面地運用本門課所學的知識，可以得到較全面的實際體驗，較全面、較深刻地理解理論知識。

3.2?參與式學習

（1）基于三菱FX系列PLC的設計。三菱公司是日本乃至亞洲最大的電子和電氣設備制造商之一，三菱公司生產的FX系列可編程序控制器功能強大、性能穩定、質量可靠，深受工程技術人員歡迎，在市場中占有比較大的份額。FX系列［6］是一類微型可編程序控制器，這一系列產品可以滿足多種多樣的自動化控制需要。由于具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令和基于Windows的編程工具，使得FX系列PLC可以近乎完美地滿足小規模的控制要求，是各種小型控制任務很理想的控制“心臟”。此外，有三種輸出類型可選、多種輸入輸出點數可選，這使其在解決不同的工業自動化問題時，具有很強的適應性。FX系列PLC具有高性能處理器和多種外設接口，以及支持多種編程語言和通信協議的能力，能夠滿足不同應用場合的需求，也可以適應不同人群的應用習慣。在此基礎上，該PLC系統還有較強大的數據處理和運算能力，能完成較復雜的數學運算。

（2）升降臺控制系統設計?？紤]到快遞柜需要對包裹進行分層擺放，當到達目標層數時，需要通過光電感應開關或接近開關來停止升降臺的運動。為了盡可能節約空間，快遞柜類型為下大上小的存放空間，大物品一般重量較大，安放在下方，小物品一般重量較輕，安放在上方，升降時利于節能。升降臺與儲物空間需要有較好的配合以便于存取物品。

（3）自動抽屜控制系統設計。自動抽屜由電缸控制，可以一次存入或取出多個空間的物品，也可以一物一存取。多電缸控制回路通常由多個動作單元組成，每個動作單元負責控制一個或多個電缸執行伸縮。這些動作單元將在適當的時候按照特定的順序依次運行，從而實現整個多電缸控制回路的高效運行。動作單元使用PLC自動控制系統，以及傳感器和執行器等設備實現與多電缸控制回路的連接。在控制系統的控制下，動作單元會根據特定的順序完成每個動作單元所負責的運動控制。比如，在自動存取高層快遞柜的設計中，動作單元會根據系統運行流程，控制升降臺的升降，自動抽屜的伸縮等操作，從而實現整個存取過程的高效自動化控制。

（4）以小組為單位，完成快遞柜控制流程圖，電路接線圖以及梯形圖程序，實現智能快遞柜的智能存取功能。

4?課程目標的評價內容與方式

采用多元化評價方式，由傳統的知識考核轉變為知識+能力考核，加大對過程考核的比重，具體考核內容及評價方式如表4所示。

結語

本文結合我校應用型大學的辦學理念，對“機床電氣控制及PLC”課程進行了課程改革，側重于學生的實踐能力培養，教學過程中以實際工程案例為驅動，將理論應用于實踐中，在知識傳授的同時，將德育元素融入教學內容，通過課程知識與工程實踐聯系，推進全員、全過程、全方位育人。實踐發現，基于工程案例的課程教學模式有效提高了學生自主學習的熱情和參與度。

參考文獻：

［1］劉玲.高校課程思政的資源及開發研究——基于《高等學校課程思政建設指導綱要》分析［J］.高教學刊，2021（7）：164167.

［2］王蘭軍，王炳實.機床電氣控制與PLC［M］.北京：機械工業出版社，2018.

［3］趙勇，李洋.PLC在工業機器人控制系統中的應用［J］.南方農機，2023，54（19）：152155.

［4］葉耀青.基于校企對接的《機床電氣控制》課程教學改革探索［J］.裝備制造技術，2021（8）：145147.

［5］廖容，黃槐壯，劉奇波.“機床電氣控制應用”課程教學改革研究與實踐［J］.裝備制造技術，2022（07）：206208.

［6］朱麗娜，薛向龍.西門子S7200系列PLC的五種順序控制編程方法［J］.電子技術，2020，49（08）：2630.

作者簡介：陳宏圣（1968—?），男，漢族，山東泰安人，副教授，主要從事機械工程專業教學與科研工作。