PLC精确定位控制的线上线下混合式教学实践研究

胡仁平，张 谦，邓健平，吕友萍，胡 玲

(湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412000)

0 引言

在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提出要推动制造业优化升级，深入实施智能制造和绿色制造工程，发展服务型制造新模式，推动制造业高端化、智能化和绿色化。在智能制造的自动化生产线中，PLC作为工业控制器有着不可替代的作用，我国将可编程控制器(PLC)、分散式控制系统等工业控制装备作为重点研制对象,用于提升制造业的核心竞争力[1]。因此，高职院校装备制造类专业应培养学生智能制造自动化生产线的控制系统设计与装调维护能力[2]。湖南铁路科技职业技术学院机电教研室结合学校已有的自动化生产线实训室，以YL-335B自动化生产线考核实训装备为载体进行了PLC项目式教学改革，以设备的各个单站控制和联调作为项目开展教学。具体分6个项目：供料单元的PLC控制、加工单元的PLC控制、装配单元的PLC控制、分拣单元的PLC控制、输送单元的PLC控制和自动化生产线的联调。每个项目都是真实任务，具有实际的控制载体，而不像传统教学用指示灯来代替载体，学生能直观感受控制过程，加深对PLC控制过程的理解[3]。同时通过完成真实项目任务，学生的PLC控制系统设计能力则会大大提升。

但在进行真实项目任务的PLC控制系统设计实施中，涉及到的理论知识比较庞杂，在课程中学生需要进行充分的理论学习。理论学习时间的增加，自然会导致实践时间的减少。而对于实践性很强的PLC课程来说，势必会导致学生的积极性降低，学习效果不理想[4-5]。

基于此，提出了线上智慧职教平台理论学习和线下理实一体的项目实施混合式教学。具体思路是先对PLC课程内容进行线上课程资源建设，将相关项目任务的知识点进行了碎片化整理，建设微视频、微教案、过关测试等资源并上传至智慧职教平台，学生在线上进行学习、闯关测试和讨论，进行相关理论知识的学习完成知识储备；课中大部分时间用于难点的攻克、设计控制系统与汇报；课后通过开放的实训室和智慧职教平台资源完成相关知识的巩固和拓展。从而提高学生的积极性及动手实践能力。

1 教学目标

以输送单元的PLC控制项目中的子任务机械手装置PLC精确定位为例，来展示基于智慧职教MOOC平台和理实一体自动化生产线实训室的线上线下混合式教学的应用。

1.1 素质目标

具备团队合作、终身自主学习、逻辑思维及多角度思考问题的能力；塑造学生操作过程符合维修电工操作规范的安全意识和贯彻标准意识、企业6S管理要求的意识、劳动意识；逐步养成工作严谨和精益求精的工匠精神[6]。

1.2 知识目标

了解机械手精确位置控制的机械结构组成；了解伺服驱动器的原理；理解MADLN15SG伺服驱动器常见参数的作用；掌握MADLN15SG伺服驱动器各硬件接口的作用；了解S7-200 SMART运动控制功能的基本原理和运动控制的应用场合；掌握STEP 7-MicroWIN SMART软件组态运动向导的组态步骤；理解组态运动向导时相关参数的含义；掌握运动向导生成的子程序作用；掌握STEP 7-MicroWIN SMART软件运动控制面板的使用。

1.3 能力目标

会合理设置MADLN15SG伺服驱动器的参数；能根据控制要求进行硬件接线图的设计；能完成PLC与MADLN15SG伺服驱动器的接线；会运用运动向导生成的子程序进行编程；会利用运动控制面板调试组态的轴；会使用STEP 7-MicroWIN SMART软件的状态监控表；能完成PLC精确定位控制的调试。

2 教学组织实施

2.1 课前

2.1.1 任务引导

在本任务课程的前一个星期，在智慧职教平台发布学习任务。完成机械手装置的PLC精确定位控制，可以通过STEP 7-MicroWIN SMART软件的状态监控表实现机械手装置以指定的速度到达任意位置。学生进行任务的确认。

2.1.2 教学资源

在智慧职教MOOC平台中，上传了认识机械手直线运动传动组件的机械结构、伺服系统的工作原理、MADLN15SG伺服驱动器常见参数含义及设置、STEP 7-MicroWIN SMART软件运动向导组态过程、运动向导生成的各子程序具体应用、STEP 7-MicroWIN SMART软件运动控制面板使用的微视频资源、微教案和闯关测试。

2.1.3 学习情况反馈

通过智慧职教MOOC平台的数据，发现所有学生均已完成了课前资源的学习。结合闯关测试和学生留言，发现学生对于伺服驱动器参数的含义、运动向导组态的参数含义和子程序应用方面存在问题。为此，将这三部分的内容定为本任务的难点。

2.2 课中

2.2.1 难点攻克

针对课程难点问题，进行难点攻克教学环节。

1)各小组根据现场的实际设备，找到相应的机械手装置，并在任务书中填写相应部件名称，并绘制传动系统框图。

2)确保系统处于断电情况，将MADLN15SG伺服驱动器的I/O控制信号接头拔下。然后给系统通电，并根据教师现场提供的伺服驱动器手动运行视频，各小组完成伺服驱动器手动运行的参数设置，并驱动伺服电动机运行。让学生直接感受伺服驱动器驱动伺服电动机的运行过程，通过正反向的运行，了解设置的相关参数含义。而后断电将伺服驱动器的I/O控制信号接头插回，重新上电。

3)各小组按照课前资源的视频，在STEP 7-MicroWIN SMART软件中组态运动向导，具体参数与视频内容一致，而后按照教师的程序完成运动向导生成的启动和初始化运动轴、寻找参考点、命令运动轴转到所需位置和手动模式四个子程序调用，并将程序下载至PLC。

4)使PLC处于STOP工作状态，而后各小组运用软件提供的运动控制面板中的操作选项完成执行连续运动、查找参考点、移动到绝对位置、以相对量移动等功能测试，同时观察机械手运行情况。再利用运行控制面板修改轴组态参数并运行观察机械手移动情况，从而帮助学生理解运动向导组态时各参数的含义。

5)关闭运动控制面板，将PLC处于RUN工作状态，各小组利用STEP 7-MicroWIN SMART软件的状态图表进行各子程序功能的测试，使学生理解子程序的具体作用。

6)理解了相应子程序之后，单独更改MADLN15SG伺服驱动器的旋转方向参数Pr0.00(因标准出厂设置为1，在此改为0)，对比设置为1时，执行运动向导的手动模式子程序，观察机械手移动的方向，可以理解此参数含义；而后将Pr0.00参数还原，再单独修改指令脉冲旋转方向Pr0.06参数(因标准出厂设置为0，在此改为1)，而后运行原来的程序，对比改变前的运行结果，帮助理解Pr0.06参数的含义。并要求学生合理设置Pr0.00和Pr0.06参数组合，使轴的运动方向符合实际要求。最后修改每旋转1圈的指令脉冲数Pr0.08参数(成倍扩大或缩小此参数值)，并用移动到绝对位置子程序测试移动的距离，对比修改前后机械手在同一个目标位置时实际移动的距离，从而在对比运行中理解此参数的含义。

2.2.2 任务实施

通过上述几个环节，各小组真实体验解决了3个难点问题，接着进入本任务的重点内容，机械手装置的PLC精确定位控制任务实施。

1)各小组根据任务要求，进行工艺分析。主要确定机械手运动系统的组成、脉冲当量、伺服驱动器具体参数、PLC发高速脉冲的形式、精确的位置坐标、速度值。

2)各小组讨论具体的输入输出信号，确定传感器的类型，进行PLC的选型，并在任务书中写明选型的理由。

3)根据上一步的内容进行I/O分配，强调晶体管输出型的高速脉冲输出组合，合理分配I/O。

4)根据I/O分配表和伺服驱动器的位置控制模式接线要求，完成硬件接线图的设计，若伺服驱动器的接线图有疑问，可参考微教案里面的内容。

5)根据控制要求，完成程序流程图的设计，并根据流程图完成具体程序的编写。强调程序的编写需考虑实际工作中误触发、误操作等安全性问题的设计。

6)进入系统调试阶段。各小组4位成员的分工如下：1名安全员负责整体安全事项及工艺监督、1名组装员完成电气的接线及工艺整理(为了便于工艺的整理和监督，已经将工艺规范文件以二维码的形式粘贴在工作台上)，1名程序员负责软件编写与下载，1名调试员完成伺服参数的设置及运行测试。小组根据调试结果，优化程序。而后安全员将I/O分配、I/O接线图、伺服参数设置表、程序流程图、具体程序和运行视频上传至平台。

2.2.3 汇报与评价

任务完成后，各小组根据成果的照片和视频进行汇报展示。小组之间根据控制系统的功能完整性、工艺整理情况及汇报的表达力等进行互评，选出本次任务的最佳组。组员内根据团队合作过程进行互评，并填写评分表。

2.3 课后

课后，各小组在开放的实训室，完成任务的轮岗训练。此实训室有智能控制协会的成员进行现场安全与设备的维护。并通过在线平台完成过关测试、反复观看知识点讲解视频进行知识的巩固，并查阅拓展资源进行知识的拓展。

教师根据学生在任务实施中的具体表现、成果汇报等对学生进行实施过程评价，利用平台数据对提交的成果、资源学习、闯关测试、过关测试、拓展知识的学习情况进行动态的综合评价。

2.4 在教学环节融入工匠精神

通过课前课后资源的学习，可以逐步培养学生的自主学习和终身学习习惯；通过小组合作学习，培养学生团队精神、锻炼学生专业技术交流的表达能力和探究精神；在任务实施中，按照工艺规范文件的标准进行生产线各站的电气接线和气动回路的连接与检查，从而养成贯彻工艺规范标准的意识；鼓励对同一任务采用多种编程方法启发多角度思考问题的能力；根据已经设计的控制程序，通过反复调试养成精益求精的工匠精神；在任务实施过程中和任务完成后都必须遵守实训室的6S管理制度，从而形成职业素养和劳动意识。

3 结语

通过线上理论学习与线下理实一体的项目实施混合式教学，取长补短，学生通过平台反复观看理论讲解将理论知识的储备放在课前，教师根据平台反馈的数据和学生留言，确定教学难点，并针对难点进行专项教学设计。课中学生首先完成专项教学设计的学习任务，完成教学难点的攻克；而后通过完成PLC控制系统设计的项目任务实训。课后各小组在实训室完成任务的轮训，并通过平台资源完成知识的巩固和拓展。在整个教学过程中，以任务实训为主，从而提升学生的技能水平与学习积极性，并融入工匠精神提升学生的素养，取得了较好的教学效果。