工业机器人应用与维护专业“PLC技术”课程教学研究

时间：2024-05-18

唐翠翠

（深圳技师学院中德智造学院，广东深圳 518112）

1 引言

近年来，随着工业机器人在工业事业中的蓬勃发展，PLC技术在工业机器人控制系统中的应用十分重要[1]，因此，在培养技工院校工业机器人类专业学生的时候将“PLC技术”作为重要的专业基础课，与传统的教学方法所不同的是，课程采用小班制教学，20人左右1个班，2人1个组，采取项目教学法，实行过程考核的方式对学生进行评价，基于PLC选用3个不同的硬件平台作为教学载体，重在培养学生分析问题与解决问题的能力、动手能力，小组合作和自主学习能力，为进一步学习后续专业课程及毕业后从事专业相关工作打下坚实的基础，接下来将对该课程在教学中的应用进行分析与探讨。

2 PLC选型

市场上PLC各大生产商的产品差异较大，编程指令、软件不通用，由于学校的经费、实训场地、学生教学时间等的限制，不可能引进众多不同类型的PLC设备，这也是目前教学中面临的主要问题。前几年三菱的PLC在笔者所在地区市场占有率较高[2]，学校引进三菱的产品，但随着企业的更新换代，它的占有率降低，西门子的产品占据了大部分市场，学校培养的学生要适应市场的需求，另外西门子的产品官方网站上免费的资料库很全，便于学生自学，这是其他公司所无法比的，因此本课程选择主流的西门子PLC作为教学内容。西门子PLC有很多型号，之前市场应用比较多的是S7-300/400，但也逐渐进入退市阶段，S7-1200/1500是新一代PLC，其中S7-1200具有很高的性价比，价格实惠，功能强大，应用广泛，其开发平台是TIA Portal，具有直观、高效、可靠的特点，深受用户喜爱[3]，因此，在教学过程中采用西门子S7-1200。

3 项目设置

基于实训室建设的本课程平台，网孔板上安装有西门子S7-1200、开关量输入输出拓展模块、触摸屏、电源等外围硬件，控制的对象有3种类型：①控制盒。具有8个开关8个指示灯。②带有传送带的简约版冲床。③小型自动化生产线。该系统具有供料、加工、搬运和分拣产品功能，由供料单元、正孔加工单元、旁孔加工单元、循环送料转台单元、分拣单元组成。基于这3种控制对象设置项目任务，从认识PLC，了解它的内部结构、外围硬件接线，到TIA Portal软件的应用，包括参数配置、基本功能块指令、特殊功能模块等。通过项目任务对PLC的编程流程，指令应用，按键开关、指示灯、传送带正反转、传感器的控制方式，冲床工作流程，机械臂动作的工艺流程，气动、步进电机的控制过程有所掌握。

4 教学设计

根据课程设置3个大项目，在具体实施过程中，大项目里面再分小项目。

项目一中，通过认识网孔板上元器件、电气接线，控制盒的内部电路，让学生了解实训平台硬件电路，并对电路进行基本的检测与排故；接着掌握梯形图的组成、会识图、设计图，再到让学生学习TIA Portal软件平台的基本应用，教师现场演示，并将相应操作视频共享给学生。然后编写简单的程序来对硬件进行检测，排除故障。在此过程中学生对PLC的外围电路接线、排故会有所掌握。硬件一切就绪之后，就可以针对控制盒上的8个灯8个按钮设置不同的来源于生活的小任务，让学生在设计、调试程序的过程中知道PLC的奇妙。设置的任务有双控灯的控制，抢答器、电机星三角启动，灯按不同顺序点亮、停车场控制，小车往复循环运动，十字路口交通灯的控制等。

项目二中，学生了解了简约版冲床。首先，认识冲床的组成部分，了解冲床的工作原理及输入输出接口，对电路进行检测、排故；然后编程对冲床进行控制，设置的小任务有传送带自动循环往返，冲床自动循环往返，物品检测，带有物品检测、传送、冲压功能的综合控制等，让学生在此过程中掌握传送带的控制方式及冲床的工作过程。

项目三是学习小型自动化生产线的控制。首先，学生先了解各单元的结构，找到对应的传感器、电磁阀等对应的PLC输入输出点，对线路进行检查，I/O对照编程测试，进行信号确认和电路排故；然后按照生产线的生产流程对送料、转台、孔加工、机械臂各个单元进行编程调试，最后编写一个具有黑白物料检测加工搬运的自动化生产线综合控制程序。通过项目三让学生对自动化生产线的工作流程有了很清晰的认识，能对其进行编程调试。完成每一个大项目之后，让学生进行总结汇报。

5 教学实施

本课程在教学中始终按照学生的认知过程，从易到难层层递进，让学生既有成就感，又感觉成就来之不易。教学过程采用“以行动为导向，以工作任务为驱动”，让学生在做中学，学中做[4]。教师的角色是引路人，当学生已经熟悉软件的基本应用，外围硬件的结构组成和调试方法，教师就是布置任务，巡查指导，检查评分，针对共性问题集中讲解，学生通过小组讨论、编程实践，独立完成任务。对于完成速度快、质量高的小组给予高分，其他组以此类推，这样大部分学生间就存在竞争，学习氛围很好。

课程采用小班教学，20人左右，分为10组，在分组的时候先了解学生的特点和以往的成绩，小组成员强弱搭配，互帮互助。任务设置有通用任务和拓展任务，有的做的快的学生可以做拓展任务，它属于加分项，可以激发学生的积极性，同时让课堂任务比较充实。

教学过程中应用学校引进的教学云平台，根据项目的特点，布置预习作业、课堂作业、课后作业、小组任务、在线测验，上传并且共享教学资源，线上批改作业等，学生用手机从学校官方微信公众号就可以进入云平台，不需要另外安装APP软件，操作非常方便，学生比较喜欢。在题目设置方面尽量都是以选择题之类的形式呈现，这样学生用手机操作比较方便。

完成每一个大项目之后，安排实操考试，单人单工位考，检验学生的掌握情况，同时也可以激励学生的上进心，对于本项目考试不理想的学生可以在下一个项目的学习中更加努力。另外，会安排项目汇报，以小组形式进行，每个小组汇报自己的小组情况、成果展示、经验交流，尤其是故障检测和排故、编程思路的经验分享，各小组可以互相借鉴。课程成绩由考勤、实训室6S、课堂表现、平时任务成绩、实操考试成绩、理论考试成绩、项目汇报多项内容汇总构成。

6 教学效果与反思

该课程实施比较顺利，效果不错，学生的积极性、小组合作能力、发现问题解决问题的能力得到了提升，课程内容充实，能满足不同学生的需求，学生快乐地收获知识。云平台理论知识的布置，让学生理论知识得到了提升，服务于课堂教学，在保证安全的情况下，教师尽量放手让学生自己做，让他们在做中学，学中做。当遇到共性问题时教师再集中讲解，会更加吸引学生的注意力。学生相互学习的能力很强，只要有学生会了，他们会相互请教相互学习，共同进步。但在教学过程中也发现了一些不足之处，例如，一个班有两三个学习能力比较弱的学生跟不上节奏，即使组员已经很用心地在教他了，但还是有些力不从心，他们的成绩不太理想，对于这些学生还是需要再想想策略；实训平台有的设备由于经常被使用，出现某些功能不全的情况，个别小组要借用其他组的设备进行调试，影响小组的进度和积极性。