新基建背景下智能电气设计课程开发探索

陈慧敏，张 静，李 硕

（北京经济管理职业学院，北京 100102）

一、引言

新基建是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系[1]。在新基建的背景下，智能产品的研制、智能服务的市场探索、智能工厂的建设落地、技术和产业链的深度融合等为制造业翻开了新的篇章，也为我国高职院校创新复合型人才培养提供了全新的时代场景。教育部高教司司长吴岩同志在《夯实教学“新基建”，托起培养高质量》的报告中强调，要“抓课程质量——人才培养的核心要素”；抓技术水平——学习革命的关键突破”[2]。为了解决高职院校电气应用技术相应课程中存在的工程技术人为分割、技术工具缺乏更新等问题，北京经济管理职业学院电气自动化技术专业教学团队在深入企业一线调研的基础上，引入企业真实案例，以专业电气设计软件EPLAN Electric P8和EPLAN Pro Panel为教学工具，探索开发“智能电气设计”课程。

二、传统学科课程的现状

“电气应用技术”对于电气自动化技术专业以及相关的电类专业来说是比较重要的课程，目前很多高职院校开设了“电气工程识图与绘图”“电气控制技术”“PLC应用技术”等相关课程。其中，“电气工程识图与绘图”在授课过程中多采用AutoCAD软件，但是AutoCAD软件主要是用于机械结构的设计，并非专业的电气设计软件[3]，对于电气设计中相关电气元器件关联、工程项目制造数据生成等诸多功能只能依靠人工实现，工作量庞大且易出错，不利于企业工作效率的提升；“电气控制技术”主要是在认识电气元器件的基础上，侧重于讲授各种电气控制电路的原理，但因限于学校实训室电气设备的种类和数量，该课程在具体实操时无法做到每人都有实际布线和试车的机会，导致学生缺乏具体体验，难以理解工程数据；“PLC应用技术”基本上是基于不同型号的PLC，讲授关于PLC的各种指令的功能以及相应的程序编写，学生对于PLC设备硬件的了解非常匮乏，在脱离实训室的插接线装置后，面对PLC实物诸多接线端子以及整体系统与其他电气设备连接时束手无策。

三、课程设计的理念与思路

课题组在深入企业一线实践、调研和培训的基础上，详细了解了企业电气工程中的应用技术，集中了解了企业电气设计岗位的日常工作，收集了相关电气设计案例资料，并对电气设计岗位的典型工作任务进行了分解，结合学校实训室常用电气设备情况，在原有课程的基础上，增设一门“智能电气设计”课程。该课程的教学项目依据基于工作过程的课程设计理念进行开发，其知识技能要求对接企业电气设计相关岗位标准。在教学工具上，选择市场迫切需求的、具备前瞻性的专业电气设计软件EPLAN为电气设计工具[4]；在内容设计上，引入企业真实项目案例，并进行相应调整，使其具备一定的趣味性、可视性，尽可能包含专业常用电气元器件，让其更符合职业院校学生的学习成长规律，提升学生学习兴趣，为后续专业课程学习打好基础；在内容组织上，以一个完整的项目为基础，基于工作流程，遵循学习者能力培养的基本规律，将知识点碎片化，工程案例任务化，教学任务情景化，任务内容单元化，教学资源信息化，制作一系列微课教学视频，辅助理论教学和实践指导，采用线上线下相结合的混合式教学模式，强化学生综合素质的提升和创新应用能力的培养。

四、教学项目设计

本课程注重工程应用，强调实务操作，以物流传输装置为典型案例，从基于EPLAN Electric P8的项目规划、原理图绘制、面向对象设计、报表生成的2D电气设计，到基于EPLAN Pro Panel面向电气制造的3D布局，完整实现从电气设计到指定制造文件。具体教学项目包含四部分内容，即项目准备、电气原理图绘制、3D布局设计和项目输出。

（一）项目准备

在分析项目基本情况的基础上，根据物流传输装置的电气拖动原理，将所用电气元件进行统计并确定控制架构，并根据这些信息设计出项目结构、电气设备基本布局及安装位置，确定项目属性和内容，做好项目规划准备工作，即创建个人部件库、建立项目结构。

1.个人部件库的创建

部件库是电气设计的基础，它相当于电气元器件的一个虚拟仓库，可以包含每一个所需电气元件的电气逻辑、部件编号、所属分类、尺寸和技术参数等信息，还可以根据需要添加此元件的图片作为宏文件。部件库将为原理图选型和安装板设计提供非常准确的数据支持。但电气元器件品牌众多，如果每一种元器件都纳入部件库，很大程度上会影响计算机的运行速度，另外，每个企业都有自己常用的电气元器件，所以最好是创建属于个人的部件库。尤其对于企业的设计人员来说，创建属于个人（企业）的部件库不但可以快速查找电气设计所需要的元器件，还可以根据企业偏好设置更为详细的数据信息，进一步提高工作效率。

2.项目结构的建立

项目结构的建立对电气装置设计非常重要，尤其是在设计大型装置时，可能涉及到几十个电柜和几百页电气原理图纸，拥有清晰的层级结构不但能帮助设计人员进行项目管理、相关器件的查找，而且后期对装置进行相应升级或技术改造时也能提供非常大的便利[5]。

项目规划主要包含高层代号规划以及位置代号规划。高层代号的管理主要用于从功能角度来进行整体项目的分割，例如照明柜、动力柜等；位置代号的管理主要是位置结构的分类，可以根据项目的物理结构进行区分，常用的分类有柜内和柜外。另外还有一些特殊的需要安装的位置，在具体项目中以树结构图呈现。例如，物流传输装置的树结构图（如图1所示），表明项目结构划分为“物流传输装置-标题页/封页-目录-报表-原理图-安装布局图”，其中“物流传输装置”为项目名称，其他为“高层代号”，在“报表”下设立“柜内”和“柜外”位置代号。这样，利用“高层代号”和“位置代号”就可以对设计中所有的图纸“页”及其所涉及的设备、端子排等进行定义，从而实现每一个元器件的精准定位。

图1 项目树结构图

（二）电气原理图的绘制

电气原理图的绘制是电气设计的核心部分，通常包含了所有电气控制的信息，如电气系统供配电原理图、电机拖动原理图、PLC控制原理图、信号输入输出原理图和端子连接原理图等。本课程所选取的“物流传输装置”包含普通电气工程中常见的电气设备，且电路涉及主电路、继电控制回路、变频器及直流电源控制回路、PLC供电电路、PLC数字量输入电路、PLC数字量输出电路、HMI电源电路。在教学设计中，将该控制系统划分为12个学习任务。通过本课程的学习，学生不但能掌握各电气设备符号的绘制、电气控制原理，而且能快速熟悉电气元件、端子和电缆等设备型号，贴近企业实际。

（三）3D布局设计

在运用EPLAN Electrical P8软件进行电气设计之后，基于其绘制的电气原理图和同一套数据库，可以使用EPLAN Pro Panel软件进行拓展，实现电气工程3D虚拟数字化设计，完成电气工程中的元件虚拟仿真安装布局设计、布线设计、以及自动生成2D元件布局工艺图、2D开孔图等加工工艺文件，形成适合企业一线操作工具体操作的指导文件。该项目中的关键技能主要有宏部件的创建、3D布局和布线。

1.宏部件的创建

在进行元件虚拟仿真安装时，要求电气原理图中每种元器件都对应有一个3D宏，除了EPLAN软件本身自带的3D宏部件以外，可以根据自己的需要进行创建，具体步骤如下所述。

第一步：获取或者制作设备（元器件）对应的三维图形.step格式的源文件；

第二步：将源文件导入布局空间，并进行逻辑组件合并；

第三步：完成设备的安装面和连接点定义，注意其连接点必须与原理图中相应连接点保持一致，否则无法进行自动布线；

第四步：保存3D宏。

完成设备3D宏创建后，需要将其与个人部件库中相应的设备进行关联，这样在以后的电气设计中就可以直接使用了，图2是制作完成的西门子按钮3D宏。

图2 西门子按钮3D宏

2.3D布局和布线

单击软件菜单栏中“项目数据”—“设备/部件”—“3D安装布局导航器”，打开“3D安装布局”导航器，在该导航器中，可选中相应的设备，通过单击鼠标右键，选择“放置”，在相应的导轨上安装设备。

设备安装完成后，根据具体情况进行布线路径网络定义，最后完成自动布线。通常而言，布线主要是在前后安装板以及门板上，因此需要对这些地方的布线走向是否清晰、方向是否正确、是否存在飞线以及导线是否连在对应的安装点上进行检查，如果有问题，就进行布线路径修改、连接点排列样式方向修改，并检查设备的3D宏属性中连接点方向及代号是否设置正确，完成修改后重新生成布线。图3为完成布线的“物流传输装置”3D视图。

（四）项目输出

项目输出主要指的是项目数据输出，其主要形式为报表，使用比较多的是部件汇总表、电缆图表、端子图表等，另外，还有模型视图以及通过标签的方式将EPLAN格式数据导出为第三方数据。根据企业的具体需求，实现对现场箱柜、元器件、电缆、端子等相应设备的统计，以方便指导一线工作人员具体操作。本项目主要完成如何利用EPLAN软件强大的数据导出功能，通过“工具—部件—报表”“插入—图形/报表—模型视图”“制造数据—导出/标签”等功能完成相应的项目数据输出。这不但有利于提高工程设计人员工作效率，而且有效避免了因人为统计疏漏而出现工程数据错误，确保了工程质量。

图3 “物流传输装置”3D视图

五、结语

目前，本课程采用具备前瞻性的专业电气设计软件EPLAN Electric P8和EPLAN Pro Panel为教学工具，引入了企业真实的项目案例，并对课程开发进行了探索，已制作完成微课教学视频27个，开发了一部基于工作流程的活页教材。从教学项目设计来看，本课程从电气工程项目规划到项目数据输出，注重新技术和数据应用，实现了高效工程设计和跨学科合作；从教学过程来看，基于工作流程，任务划分清晰明确，且任务与任务之间环环相扣，任务效果生动形象，学生全程投入；从教学效果来看，学生能够对电气工程所涉及的相关应用技术融会贯通，对电气设计图纸最终呈现工程效果构建立体清晰的实物形象，从而对电气工程设计项目的结构、数据、功能、特性有了全新理解。实践证明，该课程的学习不但帮助学生拓展了就业范围，提高了工作岗位能力，而且帮助学生快速掌握使用EPLAN软件的技能和技巧，得到了相关企业的认可。