机床电器与PLC应用教学方法研究

2019-07-30李伟

创新创业理论研究与实践 2019年10期

李伟

（安徽机电技师学院，安徽蚌埠233010）

制造业被认为是现代社会的主要经济支柱之一。然而，在过去的10年中，各个技术领域的快速发展导致了制造系统的重大变化。现代工程师所要求的技能不断发展，学生在中职学习期间的终身教育比以往任何时候都更有意义。除此之外，年轻的学生们还被证明，当应用问题迫使他们跳出边框思考时了解终身教育的学生将获得显著的收益，从而发展出一套包括复杂问题解决、批判性思维和创造力在内的重要技能。实践证明，通过实践学习，是促进关键技能发展的最有效途径之一。因此笔者构思了这篇文章，希望会为各读者带来帮助。

1 机床电器与PLC概述

1.1 机床电器的概念

机床电器是对金属或其他刚性材料进行成形或加工的机器，通常通过切削、镗孔、磨削、剪切或其他变形形式来实现。机床电器使用某种工具进行切削或成形，所有的机床电器都有一些约束工件的方法，并提供机器零件的导向运动。因此，工件与刀具之间的相对运动，即所谓的刀具轨迹至少在一定程度上是由机器控制[1]或约束的而不是完全随意的。它是一种动力驱动的金属切削机床电器，可以帮助管理刀具和工件之间所需的相对运动，从而改变工件的尺寸和形状。

1.2 PLC的概念

可编程逻辑控制器(PLC)或可编程控制器是一种工业数字计算机经过加固而适用于控制制造过程，如装配线、机器人设备或任何需要高要求的活动可靠性控制和易于编程和过程故障诊断。PLC最初是在汽车制造业开发的，通过提供灵活、坚固[2]和易于编程的控制器提供取代硬接线继电器、定时器和测序器的服务。自那时以来，它们已被广泛用作适用于恶劣环境的高可靠性自动化控制器。

2 机床电器应用教学方法研究

机床电器应用教学现在的工作旨在为中职学生提供一个成功的基于工业的教学和培训框架[3]，同时通过教学工厂范式为企业提供新的工程解决方案。教学工厂理念是一个双向的知识沟通渠道，为课堂提供行业实践，为工厂提供“新”知识。下面介绍了促进知识交流所需的教育方法和ICT基础设施。该框架和工具随后在一个涉及协作机床设计场景的试点应用程序中得到验证。由四个中职学生组成两个实验学习小组，每个小组在一个特定的场景下进行机器重新设计，并由三位老师进行概述。介绍了两个小组的进展和整个过程中的发现。最后，针对激励问题给出研究结果和结论。

2.1 教学工厂范式

当代制造业是为了满足日益增长的工业对生产相关技术、工具和技术的要求而诞生的。对中职学生的培训和工业学习为目的是应对技术的进步，考虑到我国制造业的改进和创新性能，构成一个有希望的因素。然而，由于工业教育需要被制造领域的学习的学生直接接受，课堂内的理论方法不足以满足现有的培训标准。因此，需要创新教学方法，将制造业教育与产业实践相结合[4]，将先进的知识导入生产，平衡资源型制造业(劳动力和资本)与知识型制造业(信息和知识)，确保产业稳步增长。

教学工厂与学习型工厂有着相似的理念，教学工厂的概念是基于制造的在教育过程中寻求与合作伙伴的融合和挑战，学生们面临的问题使他们逐步了解工业领域，因此，中职学生能够获得制造经验和技能也能独立面对和适应工业需求。教学工厂是一个除了地理固定的学习空间外拥有先进的信息通信技术和高档工业说教的设备和经营知识双向沟通渠道的工厂教室和学术实验室工厂。教学工厂中学生进行实践教学如图1所示。

图1 教学工厂中学生进行实践教学

2.2 教学工厂:一个合作机床设计案例

笔者设想了一个“工厂到教室”的操作方案包括采用一个工业驱动的项目验证提出的教学工厂范例。教学工厂试点包括一个真实的工程挑战，由工程专业的学生来详细阐述。成立了两个小组，每个小组由四名学生组成。每个团队都制定了自己的策略，提出了各自的潜在解决方案，并与3位老师进行了评估。教学工厂试验分五次进行，学生小组使用视频会议工具或当面与老师进行交流。

第一工作空间功能是铣削、激光结构和激光去毛刺主轴，第二工作空间作用是安装激光加工单元的机械手可用于激光材料的沉积、激光焊接和激光硬化。在两个工作空间之间安装一个工业机器人，可以直接到达两个工作空间，以便于对一系列不同的工序进行协同加工 (使用机器人和机床电器主轴)。MTP设计允许在两个工作区中并发处理而且并发进程会相互影响[5]。然而，由于MTP独特的运行条件使得现有的市场上可用的旋转转台设计是不合适的，需要一个量身定制的解决方案。这种旋转工作台的协同设计是教学工厂试验的课题，这个实验被组织成五个协作周期，通过这个周期，学生们将与老师们进行互动，以推进他们的设计，遵循特定的设计周期。

在第一阶段的课程中，学生们将真实的工业问题呈现给两个学生小组，通过互动的方式，包括与生产设备的远程视频连接，让学生们了解所涉及的概念、操作和挑战。此外，还应讨论对各种设计的考虑。第二阶段，重点定义了基于第一阶段定义的先决条件的设计规范。规范对于两个团队都是通用的，并且在整个设计过程中都使用了规范。学生团队在前两个周期收到的来自老师的反馈，用于在试点的第三个周期内起草初步设计。每个小组提出一个显著不同的方法，笔者的小组基于所选择的标准尝试了一个主要的材料评估，并通过实现权重因素，导致铸铁作为最终的选择。提出了三种旋转转台的设计方案，并根据成本、重量、制造和装配难度等因素，选择了最终的设计方案。团队2选用钢材作为材料，根据材料的平均力学性能。他们的设计是基于结合简单的，市场上可用的组件通过焊接连接，并提出了多种选择，考虑不同的几何特征(支持)，可以提高整体动态性能。此外，还对重量进行了评估。第四阶段重点对所选方案进行了详细的动力和热分析。两队利用有限元分析工具对模态和热弹性分析的初步设计的最后，在第五个周期，学生团队提出他们的迭代设计过程基于动态和热分析的结果和结论的最终解决方案的协同设计过程。团队1通过引入整个装配(现有的机床和旋转转台)，进一步细化了他们的分析边界。在此基础上，在结构中部局部加筋以减小最大变形。然而，在模态分析迭代仿真过程中，即使经过多次设计改进发现所选材料也不能满足要求。为了解决这个问题，团队将选择的材料改为钢材。第二小组改进了他们的设计，增加了一个六螺栓的支持，以抵消不必要的本征频率。最终，两个团队的设计都达到了最初的规格。

3 PLC应用教学方法研究

可编程序控制器(PLC)广泛应用于工业过程控制和制造系统。开发PLC程序的分析方法有状态图、Petri网络图、真值表和布尔代数。所有这些方法都有助于在复杂系统中开发一系列控制PLC程序，但没有一种方法可以实现程序的全自动开发。在传统的PLC编程教学方法中，如状态图，首先要构造一个图来显示该过程可能采用的所有路径。然后添加每个路径所需的布尔条件。对布尔条件进行更改，然后将图转换成PLC程序并进行测试，然后再次测试新程序。这个反复试验的过程一直持续到开发出一个没有bug的程序为止。这个反复试验的步骤不会导致自动的程序开发技术。笔者在下文提出了一种新的控制器设计方法和程序控制编程方法，供教师和工业培训师使用。这种新方法将是一个有用的工具，教初学者以更快的方式开发PLC程序。这种新方法结合了来自各种技术的一些关键概念，以交付一种新颖但有效的自动化方法。这种新技术通过两个简单的步骤将真值表转换为梯形逻辑图，梯形逻辑图是PLC编程中最常用的图形语言。以某典型液压站为例，说明了该分析方法。该实例表明，该方法可用于复杂系统的顺序控制程序的开发。笔者通过研究验证了该方法的有效性，这种新的教学方法已可以应用于中职学生。这项研究将工程技术专业的学生分成两组。其中一组采用传统的PLC编程教学方法，另一组采用新方法。使用相同的测试，结果表明，与另一组相比，使用新技术的那组花在编程上的时间更少。

这里介绍的方法引入了一种技术，该技术通过两个简单的步骤将真值表转换为梯形逻辑图。这是PLC编程中最常用的图形语言。该方法在工程技术专业学生中进行了测试，取得了良好的效果。实践证明，所讨论的方法有助于PLC编程的学习，使其更容易、更快地理解。

3.1 PLC教学研究方法

为了创建完全自动化的设计过程，必须开发一种完全消除反复试验过程的方法。为了消除反复试验或编程必须在设计变量和性能变量之间建立一种清晰的分析关系。真值表和布尔代数多年来一直被用来自动设计数字电子电路。然而，在电路设计中使用的技术并不直接导致PLC程序的自动化。一般来说，一个真值表将被开发为一个给定的电路，然后每个真值表的组合将被考虑。在PLC中，我们可能不关心每个物理上是不可能组合。此外，在电子电路中，只关心输出的低(关)或高(开)状态，这取决于它是有源高电平还是有源低电平。但在PLC中，必须始终考虑输出的高电平和低电平。图2演示了17名中职学生编写的PLC程序。

图表217名中职学生编写的PLC程序

3.2 生成真值表的步骤

下面是生成真值表所需的一系列步骤，然后从高、低输出布尔方程，最后将方程转换成PLC程序的方法：①编写程序必须完成步骤列表；②以真值表的形式列出所有系统的物理输入和输出；③在第一个输入行中，输入第一步所需的输入条件；④在第一个输出行中输入使系统完成第一步所需的输出条件；⑤在第二个输入行中，输入上一步完成后输入所处的状态；⑥在第二个输出行中，输入使系统完成下一步所需的输出条件；⑦重复步骤5和步骤6，直到程序中的所有步骤都完成；⑧验证真值表中的所有输入和输出行都是唯一的，如果是，转到第9步，如果没有为每个重复行添加一个内部继电器(寄存器)；⑨为每个输出创建两个布尔方程。一个代表低能级，一个代表高能级；⑩创建PLC程序使用高方程锁存输出和低方程解锁输出。

3.3 程序的例子

该研究使用梯形逻辑程序包。该程序支持Allen Bradley SLCTM 500和MicroLogix TM系列PLC处理器。要从布尔方程创建梯形逻辑图锁定高方程的输出，并解锁低方程的输出。

这项实验测试是与17名中职学生合作进行的。本实验将提供有关使用真值表作为创建梯形逻辑程序的一种方法来学习PLC编程的易用性的数据。学生被分成两组，每组分配一个给定的方法:试错法(T/E)或真值表法 (TT)。在实验之前，每个参与者都被问及是否有PLC的经验。

在所有参与者中，只有12%的人认为自己事先对PLC有相当的了解。实验测试表明，与其他组相比，使用TT法的学生有较大的时间优势。TT学生在较短的时间内完成了创建一个完全可操作的梯形逻辑程序的任务。测试结果表明，TT学生编写梯形逻辑程序平均耗时44 min/avg，而T/E学生平均耗时55 min/avg，而且其PLC编程存在问题。TT学生只需要6.67min就可以创建一个功能良好的真值表，这形成了一个完全运行的PLC程序。另一方面，只有25%的T/E学生在没有事先知识的情况下能够完成创建一个可工作的PLC程序的任务。这支持了我们的论点，即真值表是一种更快、更符合逻辑的方法来吸收PLC和梯形逻辑编程的复杂性。