基于CDIO模式的电气控制及PLC原理课程设计研究

窦新宇

(唐山学院 智能与信息工程学院， 河北 唐山 063000)

0 引言

CDIO工程教育理念是近年来国际工程教育改革的热点研究成果之一，其核心是以工程产品的全寿命周期为载体包括产品从设计到运行的全过程，让学生以互动的、可操作性的、实践的、成果之间有机联系的方式学习理论知识、工程技术与实践经验[1]。适用于CDIO项目式课程设计的教材少之又少。自动化专业在试点班级进行核心课程实践教学环节改革，课程设计实行“做中学”“学中做”“教、学、做一体化”的课程设计模式，根据课程设计教学目标及课程设计标准要求安排若干个课程设计项目。学生每4～5人构成一个课程设计项目团队，在项目实施过程中，学生以团队内合作、团队间协作加竞争的方式进行自主探究式学习，教师仅起到指导答疑的作用，促使学生完成构思、设计、实现和运行(CDIO)的全过程。每组同学在项目完成后都要向全班做汇报，老师、同学根据其完成情况进行评价。在CDIO的基础上，课程设计培养学生的核心技术和工程伦理道德，突出学生综合技能的提升，使学生具有家国情怀、工程伦理、大国工匠精神的社会主义合格应用型技术人才。

1 自动仓储的PLC控制项目

1.1 项目引入

随着社会经济和计算机、自动化技术的快速发展，作为物流业关键节点的仓储系统已经从原始的人工仓储逐步向先进的自动仓储发展，并呈现出自动化、集成化、智能化的特点。

目前自动化立体仓库在发达国家已经较为普遍, 日本是自动化仓库发展最为迅速、数量最多的国家，此外美国、德国等国家也建造了许多自动化仓库发展至今，自动化仓库在设计、制造、自动化控制等方面的技术已经日趋成熟，采用合理的自动化控制系统加快了运行和处理速度, 降低了操作人员的劳动强度, 提高了劳动生产率。

1.2 项目目标

项目目标具体包括专业知识目标和课程思政目标。专业知识目标：掌握根据实际要求设计PLC外围电路的方法；会根据实际控制要求设计简单的梯形图；掌握PLC控制电动机正反转与继电器-接触器控制正反转的区别。课程思政目标：培养学生工程伦理精神；训练学生的实际动手能力、培养学生工艺意识、标准意识、质量意识，达到初步的CDIO工程项目的实践能力。

1.3 项目考核要求

根据要求选择硬件、画出PLC外部接线图；掌握PLC控制电机正反转的编程技巧和设计方法；独立完成整机安装及调试过程；根据系统调试出现的典型故障状况，修改相关设计；完成仓储运货小车自动往返PLC控制电路设计。

1.4 CDIO项目实施

构思(C)：项目构思与任务分解，学习相关知识，制定出工作计划及工艺流程；设计(D)：学生分组设计项目方案；实现(I)：绘图，元器件安装与布线；运行(O)：调试运行与项目评价。

2 CDIO项目实施分解

2.1 项目构思

根据现代化、智能化物流要求，可靠性高、运营便捷高效的自动仓储系统需求市场前景广阔。首先，教师下发项目详单，布置项目需要完成的任务及控制要求，介绍项目的应用情况，进行项目分析，引导学生分析PLC对电动机的控制要求；其次，引导学生完成项目所需知识、能力培养及软硬件准备工作；第三，提示学生项目所涉及PLC运行控制的指令、工作原理，讲解编程软件的相关知识；第四，学生进行小组分工，明确项目工作任务，小组成员讨论项目如何实施，进行任务分解，学习完成项目所需的知识，查找自动仓储方面的PLC控制资料，制定项目实施计划，确定工艺流程。

2.1.1 自动仓储的PLC控制项目分析

某送料小车3点自动往返控制原理及要求如下：(1)按下SB1(启动按钮)，送料小车电机M开始正转代表向前运动；当送料小车碰到SQ1(限位开关)后， M开始反转代表向后倒退。(2)送料小车后退直到碰到SQ2(限位开关)后， M停止转动，静止时间为5 s。送料小车第二次前进直到碰触SQ3(限位开关)，其第二次向后倒退。(3)当第二次向后倒退碰到SQ2时，送料小车停止运行，延时10 s后重复上述动作[2]。

2.1.2 自动仓储的PLC控制相关知识

PLC编程相关知识主要包括程序控制类指令和中断处理类指令。

2.2 项目设计

教师引导学生进行项目设计，并进行分析、答疑；指导学生从经济性、合理性和适用性的角度进行项目方案的设计，要考虑项目的成本，反复修改方案，点评修订并确定最终设计方案。学生分组讨论设计自动仓储的PLC控制项目方案，在教师的指导与参与下，学生从多个角度、根据工作特点和工作要求制订多种方案计划，并讨论各个方案的合理性、可行性与经济性，综合评价方案择优确定最终方案实施计划，分配好每名组员的工作任务。最终控制方案包括：控制要求，相关知识学习，硬件设计，软件设计，整体安装，运行调试6个环节。

(1)自动仓储的PLC控制硬件设计。

主电路设计是电气控制的正反转主电路。元器件I/O分配输入信号部分：启动按钮SB1对应I0.0；B位置开关SQ1对应I0.1；A限位开关SQ2对应I0.2；C位置开关SQ3对应I0.3；停止和过载开关SB2、FR对应I0.4。输出信号部分：正转线圈KM1对应Q0.1；反转线圈KM2对应Q0.2。设计PLC接线图。

(2)自动仓储的PLC控制程序编制。

PLC编程有3种常用方法分别为状态图、梯形图和指令语句表，熟悉掌握3种方法的编程特点及区别[3-4]。

2.3 项目实现

教师指导学生进行项目实施，进行系统安装，讲解项目实施的工艺规程和安全注意事项。学生分组进入工程实训区，实际操作，在教师监督指导下把元器件选好，并列出明细，列出PLC外部I/O分配表，画出PLC外部接线图，并进行PLC接线与调试，填写好项目实施记录相关材料。自动仓储PLC控制安装步骤及工艺要求包括三个方面分别为：选配并检测元器件和电气设备；安装元器件；实际布线。

2.4 项目运行与评价

(1)项目运行。

教师指导学生进行自动仓储PLC程序调试与系统调试、运行，讲解调试运行的注意事项及安全操作规程，并对学生的成果进行评价。学生检查运料小车往返运行PLC控制电路任务的完成情况，在教师指导下进行调试与运行，发现问题及时解决，直到调试成功为止。分析不足，汇报学习、学习心得，展示工作成果；对项目完成情况进行总结，完成项目报告，撰写课程设计说明书。

(2)项目评价。

项目完成后，应对各组完成情况进行验收和评定，具体验收指标包括：硬件设计、软件设计、程序调试、整机调试、功能扩展、课程设计说明书、小组答辩7个方面。其中硬件设计主要考核根据继电器-接触器控制电路确定PLC点数和根据I/O点数选择PLC型号、画接线图及实际接线；软件设计主要考核根据控制要求编制梯形图程序和用软件输入程序监控调试；整机调试主要考核按照生产规程操作软硬件联机调试，运行设备整机调试；功能扩展主要考核在满足基本功能的基础上开发出附加功能；课程设计说明书主要考核说明所规定的撰写情况。

3 结语

全文以自动仓储的PLC控制项目为例深入研究了CDIO模式应用于电气控制及PLC原理课程设计全过程的方案，分别从课程设计项目构思、设计、实现、运行4个方面进行了深入研究。根据实践教学经验发现，本文所提方法适合唐山学院人才培养目标，广受师生好评，达到预期目标及教学效果，为今后唐山学院相关课程设计的开展提供了一种新的思路，具有一定的现实意义。