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摘 要：以自动生产线设备引进、自动生产线实验室建设项目为驱动，对应用型本科机械电子工程人才培养方案的课程体系、教学内容、实践教学等方面进行了调整，提出了一种简明的自动生产线教学模式。通过近两年的探索和实践，成功地将变频控制技术、组态控制技术、步进驱动控制技术等自动控制关键技术引入到应用型本科教学中，填补了原有人才培养方案的内容，提高了机电学生的核心竞争力。
关键词：自动生产线 变频器 MCGS组态 步进电机
中图分类号：G647 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2021）01（a）-0068-07
Practice and Exploration of the Construction of the Second Section Automatic Production Line Laboratory
CHEN Weiguo
（Hunan University of Arts and Sciences， Changde， Hunan Province， 415000 China）
Abstract： Driven by the introduction of automatic production line equipment and automatic production line laboratory construction projects， the curriculum system， teaching content， practical teaching and other aspects of the application-oriented undergraduate mechanical and electronic engineering talent training program were adjusted， and a concise automatic production line teaching mode was proposed. Through the exploration and practice in the past two years， the key technologies of automatic control such as frequency conversion control technology， configuration control technology， stepping drive control technology and other automatic control have been successfully introduced into the application-oriented undergraduate teaching， which has filled the content of the original talent training program and improved The core competitiveness of electromechanical students.
Key Words：Automatic production line; Frequency converter; MCGS configuration; Stepper motor
隨着工业4.0进一步推动，网络化和智能化的发展趋势使得机械电子工程专业的知识体系更加膨大，新工科建设对机电类人才质量提出了新的要求，应用型本科教学需要引进机电控制的一些关键技术，如三相电机变频控制技术、步进电机细分驱动伺服控制技术、交流电机伺服控制技术、触摸屏+MCGS组态控制技术、PLC以太网组网技术等。该文介绍了我们通过自动生产线引进、围绕自动生产线进行的机械电子工程人才培养方案调整所做的工作，同时具体介绍了我们在自动生产线理论及实践教学所做的探索和实践工作，希望能为同类院校的教学提供一些参考。
1 自动生产线实验室建设面临的问题
自动生产线实验室建设的目的之一，是学习机电控制的一些关键技术，但是在生产线使用上面临着一些问题。
（1）技术复杂。
SKGMT-42型自动化生产线是一个大型的机、电、液、气综合机电设备，仅仅控制技术就涵盖了三相电机变频控制技术、步进电机细分驱动伺服控制技术、交流电机伺服控制技术、触摸屏+MCGS组态控制技术、PLC以太网组网技术、伺服控制技术、传感技术、气动控制等多项控制技术，学生在学习上不容易上手。
（2）教学内容缺失。
原有人才培养方案在理论和实践教学中没有完整的组态控制、伺服控制、变频控制、以太网组网技术教学内容，因此在进入实践环节前必须进行必要的理论学习。
（3）教学课时不够。
受限于机械电子工程人才培养模式，不太可能大规模增加理论课程和实践课程，而自动生产线有许多控制技术需要学习，需要对原有的课程内容进行调整，同时需要一种新的教学模式。
（4）技术难度大。
伺服控制、变频控制设计的难度较大，学生容易产生畏难情绪。
2 解决措施
首先，我们建立了自动化生产线实验室，以自动生产线项目带动人才培养方案调整，在保障实验室建设和学科发展协调同步的同时，也提供一个综合实践平台，让学生将所学的知识串接起来，同时提高学生的综合动手能力和兴趣。 其次，将自动生产线关键技术进行细化分解，分配到课堂教学、实验、课程设计、技能训练等不同的原有教学环节当中，适当新开设了对应的课程设计及课程，实验主要针对单一关键技术，课程设计会设置一些融合几个关键技术项目，应用“案例教学法”完成设计。
最后，自动生产线理论和实践教学中，依据CDIO理念，先尽可能地选取简明方式教学，采用弱化理论推导，突出应用能力原则，让学生尽快上手，对有能力的学生，通过毕业设计、竞赛的不同形式进一步提高，最终达到全面掌握生产线关键技术目的。
3 教学设计
3.1 变频控制课程实验设计
自动生产线采用变频器控制电机完成传输带的变速运动。为了掌握变频控制技术，在“电工学”课程中，以西门子V20变频器和41K25GN-Y三相交流减速电机为案例，讲解变频器硬件结构及系统原理及参数设置、变频器主电路和控制电路的连线方式等知识，让学生明白制动电阻、压敏电阻、电流传感器的作用，了解变频器故障判断方法和模块检查的方法。变频器实验的重点是掌握变频器参数设置方法，特别是掌握恢复出厂设置和根据电机铭牌参数完成快速调试参数设置。为了简化参数设置，案例中变频器使用连接宏CN003，通过3个数字量开关输入改变电机转速。学生完成变频器固定转速实操后，学生的兴趣和信心可以得到提高，进一步通过V20变频器手册自学，提升变频器使用技能。变频器实验需要完成的主要工作及安排见表1。
为保护变频器，变频器主电路和控制回路电路图在实验前根据V20变频器手册给出参考图，如图1、图2所示。为节约课时，学生只完成测绘，实际连线不再进行。
从实验的结果看，学生可以完成变频器恢复出厂设置、快速参数设置，可以通过变频器面板或开关，控制生产线输送带以设定的速度运动。这样，通过课程教学内容的调整和实验调整，学生可以初步掌握自动生产线变频器控制技术，了解了CN003连接宏使用后，其他连接宏的参数设置及电路设计，学生完全可以通过自学掌握。
3.2 步进电机组态控制课程设计
我们在机械电子工程人才培养方案中，增设了“自动生产线综合课程设计”，“步进电机组态控制课程设计”是“自动生产线综合课程设计”的子项，目的是通过课程设计使学生掌握触摸屏组态控制技术、PLC编程技术、步进电机驱动控制，要求完成触摸屏控制滑台往返运动设计和实物调试。其中，PLC采用S7-200 SMART PLC ST30，编程环境为STEP7-MicroWIN SMART，触摸屏采用TPC1061Ti，使用昆仑通泰MCGS组态软件，步进电机57BYGH201由步进电机细分驱动器SH2024MCGS驱动，触摸屏和PLC采用以太网通信，总的要求是完成滑台的往返运动，启、停由触摸屏按钮控制。步进电机组态控制系统结构如图3所示。
二本机电学生完成步进电机组态控制课程设计需要补充3个基本知识，一是组态控制技术，二是步进电机控制技术，三是PLC运动向导编程，为此需要在课程设计中安排相应的理论教学和3个单项实验，其中理论教学采用网络学习和教师授课相结合的方式进行，单项实验是将步进电机课程设计进一步分解，目的是先掌握单项技术，再将个分技术组合完成课程设计，步进电机组态控制课程设计主要安排见表2。
3.2.1 触摸屏实验
昆仑通态MCGS组态设计，一个按钮控制PLC的Q0.0，学生自学后需进行答辩，实验前需清楚回答问题，确认学生清楚触摸屏控制的基本概念。
（1）TPC1061Ti触摸屏IP地址设置;
（2）S7-200 SMART的IP地址设置，下载系统块，并保证TPC1061Ti触摸屏IP地址和ST30的IP地址在同一网段上;
（3）从设备窗口增加西门子Smart200设备;
（4）设备编辑界面设置触摸屏与PLC的IP地址;
（5）编辑要使用的变量;
（6）用户窗口HMI界面编辑;
（7）模拟运行。
3.2.2 步进电机选型及细分驱动设置与连线实验
机械电子工程专业的学生，应能根据机械系统的机构参数和运行参数，计算步进电机的步进角、保持转矩、空载启动频率等指标，完成步进电机选型。建议学生选用两相混合式步进电机。二本应用型的学生，应该知道步进电机选型计算除了公式计算外，也可以采用SolidWorks自带的电机选型模块或企业的电机选型软件完成步进电机选型。公式计算在课程中已涉及，这里不重复，公式计算比较复杂，计算量大，在课程设计中，我们给学生介绍电机选型软件的使用，以加快设计速度。我们采用的电机选型软件是东方马达的ORIENTALMOTOR_CONTROL_MOTOR _SIZING，通过选择驱动机构、输入机械装置参数、输入运行条件、电机选择4个步骤完成选型，如图4至图7所示。
步进电机系统驱动器设置及连线，调整到《单片机》课程中进行教学，由于其原理比较简单，这里不再赘述。
电机选型软件具有一定的可靠性，在ROBOCON机器人大赛和机械创新大赛中，选用的电机工作可靠。
3.2.3 S7-200 SMART运动向导编程实验
步进电机PLC编程采用STEP 7-MicroWIN SMART运动向导生成组件（见图8），设置参数如表3所示。
组件生成后，使用组件编程，以简化编程过程，如图9所示。
3.2.4 往返运动控制
为了在实验中尽量不改动生产线的连线，可以建议学生采用STEP 7-MicroWIN SMART的运动控制面板进行。
从完成的步进电机组态控制设计课程设计来看，绝大多数同学能够通过编程，完成机械装置的往返运动，完成了组态技术、步进控制、运动向导使用的技术学习，达到了课程设计目的。
4 结语
在引进生产线的同时，对机械电子工程人才培养方案进行了调整，增设了自动生产线课程设计和电工技术课程，在教学中采用最简明的方法让学生尽快入门。通过近两年的努力，成功将机电控制的一些关键技术纳入教学体系中，达到了生产线实验室建设的目的。
参考文献
[1] 王军.PLC自动控制综合实验系统设计[J].机床与液压，2020，48（11）：115-121.
[2] 苟学亮.变频调速节能控制技术在带式输送机上的应用[D].西安科技大学，2019.
[3] 张建平，郝明，何艳，等.基于PLC和组态软件的啤酒厂糖化处理自动控制系统设计[J].自动化技术与应用，2020，39（5）：131-135.
[4] 李志梅，魏本建.基于S7-200 SMART PLC与MCGS触摸屏的以太网自动线系统构建[J].机电工程技术，2019，48（10）：26-29，97.
[5] 康麗芳.基于组态王晶体炉控制系统的设计[D].西安理工大学，2016.
[6] 段玉波，杨振威.基于PLC的多步进电机系统协同控制[J].自动化技术与应用，2019，38（5）：82-86.
关键词：自动生产线 变频器 MCGS组态 步进电机
中图分类号：G647 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2021）01（a）-0068-07
Practice and Exploration of the Construction of the Second Section Automatic Production Line Laboratory
CHEN Weiguo
（Hunan University of Arts and Sciences， Changde， Hunan Province， 415000 China）
Abstract： Driven by the introduction of automatic production line equipment and automatic production line laboratory construction projects， the curriculum system， teaching content， practical teaching and other aspects of the application-oriented undergraduate mechanical and electronic engineering talent training program were adjusted， and a concise automatic production line teaching mode was proposed. Through the exploration and practice in the past two years， the key technologies of automatic control such as frequency conversion control technology， configuration control technology， stepping drive control technology and other automatic control have been successfully introduced into the application-oriented undergraduate teaching， which has filled the content of the original talent training program and improved The core competitiveness of electromechanical students.
Key Words：Automatic production line; Frequency converter; MCGS configuration; Stepper motor
隨着工业4.0进一步推动，网络化和智能化的发展趋势使得机械电子工程专业的知识体系更加膨大，新工科建设对机电类人才质量提出了新的要求，应用型本科教学需要引进机电控制的一些关键技术，如三相电机变频控制技术、步进电机细分驱动伺服控制技术、交流电机伺服控制技术、触摸屏+MCGS组态控制技术、PLC以太网组网技术等。该文介绍了我们通过自动生产线引进、围绕自动生产线进行的机械电子工程人才培养方案调整所做的工作，同时具体介绍了我们在自动生产线理论及实践教学所做的探索和实践工作，希望能为同类院校的教学提供一些参考。
1 自动生产线实验室建设面临的问题
自动生产线实验室建设的目的之一，是学习机电控制的一些关键技术，但是在生产线使用上面临着一些问题。
（1）技术复杂。
SKGMT-42型自动化生产线是一个大型的机、电、液、气综合机电设备，仅仅控制技术就涵盖了三相电机变频控制技术、步进电机细分驱动伺服控制技术、交流电机伺服控制技术、触摸屏+MCGS组态控制技术、PLC以太网组网技术、伺服控制技术、传感技术、气动控制等多项控制技术，学生在学习上不容易上手。
（2）教学内容缺失。
原有人才培养方案在理论和实践教学中没有完整的组态控制、伺服控制、变频控制、以太网组网技术教学内容，因此在进入实践环节前必须进行必要的理论学习。
（3）教学课时不够。
受限于机械电子工程人才培养模式，不太可能大规模增加理论课程和实践课程，而自动生产线有许多控制技术需要学习，需要对原有的课程内容进行调整，同时需要一种新的教学模式。
（4）技术难度大。
伺服控制、变频控制设计的难度较大，学生容易产生畏难情绪。
2 解决措施
首先，我们建立了自动化生产线实验室，以自动生产线项目带动人才培养方案调整，在保障实验室建设和学科发展协调同步的同时，也提供一个综合实践平台，让学生将所学的知识串接起来，同时提高学生的综合动手能力和兴趣。 其次，将自动生产线关键技术进行细化分解，分配到课堂教学、实验、课程设计、技能训练等不同的原有教学环节当中，适当新开设了对应的课程设计及课程，实验主要针对单一关键技术，课程设计会设置一些融合几个关键技术项目，应用“案例教学法”完成设计。
最后，自动生产线理论和实践教学中，依据CDIO理念，先尽可能地选取简明方式教学，采用弱化理论推导，突出应用能力原则，让学生尽快上手，对有能力的学生，通过毕业设计、竞赛的不同形式进一步提高，最终达到全面掌握生产线关键技术目的。
3 教学设计
3.1 变频控制课程实验设计
自动生产线采用变频器控制电机完成传输带的变速运动。为了掌握变频控制技术，在“电工学”课程中，以西门子V20变频器和41K25GN-Y三相交流减速电机为案例，讲解变频器硬件结构及系统原理及参数设置、变频器主电路和控制电路的连线方式等知识，让学生明白制动电阻、压敏电阻、电流传感器的作用，了解变频器故障判断方法和模块检查的方法。变频器实验的重点是掌握变频器参数设置方法，特别是掌握恢复出厂设置和根据电机铭牌参数完成快速调试参数设置。为了简化参数设置，案例中变频器使用连接宏CN003，通过3个数字量开关输入改变电机转速。学生完成变频器固定转速实操后，学生的兴趣和信心可以得到提高，进一步通过V20变频器手册自学，提升变频器使用技能。变频器实验需要完成的主要工作及安排见表1。
为保护变频器，变频器主电路和控制回路电路图在实验前根据V20变频器手册给出参考图，如图1、图2所示。为节约课时，学生只完成测绘，实际连线不再进行。
从实验的结果看，学生可以完成变频器恢复出厂设置、快速参数设置，可以通过变频器面板或开关，控制生产线输送带以设定的速度运动。这样，通过课程教学内容的调整和实验调整，学生可以初步掌握自动生产线变频器控制技术，了解了CN003连接宏使用后，其他连接宏的参数设置及电路设计，学生完全可以通过自学掌握。
3.2 步进电机组态控制课程设计
我们在机械电子工程人才培养方案中，增设了“自动生产线综合课程设计”，“步进电机组态控制课程设计”是“自动生产线综合课程设计”的子项，目的是通过课程设计使学生掌握触摸屏组态控制技术、PLC编程技术、步进电机驱动控制，要求完成触摸屏控制滑台往返运动设计和实物调试。其中，PLC采用S7-200 SMART PLC ST30，编程环境为STEP7-MicroWIN SMART，触摸屏采用TPC1061Ti，使用昆仑通泰MCGS组态软件，步进电机57BYGH201由步进电机细分驱动器SH2024MCGS驱动，触摸屏和PLC采用以太网通信，总的要求是完成滑台的往返运动，启、停由触摸屏按钮控制。步进电机组态控制系统结构如图3所示。
二本机电学生完成步进电机组态控制课程设计需要补充3个基本知识，一是组态控制技术，二是步进电机控制技术，三是PLC运动向导编程，为此需要在课程设计中安排相应的理论教学和3个单项实验，其中理论教学采用网络学习和教师授课相结合的方式进行，单项实验是将步进电机课程设计进一步分解，目的是先掌握单项技术，再将个分技术组合完成课程设计，步进电机组态控制课程设计主要安排见表2。
3.2.1 触摸屏实验
昆仑通态MCGS组态设计，一个按钮控制PLC的Q0.0，学生自学后需进行答辩，实验前需清楚回答问题，确认学生清楚触摸屏控制的基本概念。
（1）TPC1061Ti触摸屏IP地址设置;
（2）S7-200 SMART的IP地址设置，下载系统块，并保证TPC1061Ti触摸屏IP地址和ST30的IP地址在同一网段上;
（3）从设备窗口增加西门子Smart200设备;
（4）设备编辑界面设置触摸屏与PLC的IP地址;
（5）编辑要使用的变量;
（6）用户窗口HMI界面编辑;
（7）模拟运行。
3.2.2 步进电机选型及细分驱动设置与连线实验
机械电子工程专业的学生，应能根据机械系统的机构参数和运行参数，计算步进电机的步进角、保持转矩、空载启动频率等指标，完成步进电机选型。建议学生选用两相混合式步进电机。二本应用型的学生，应该知道步进电机选型计算除了公式计算外，也可以采用SolidWorks自带的电机选型模块或企业的电机选型软件完成步进电机选型。公式计算在课程中已涉及，这里不重复，公式计算比较复杂，计算量大，在课程设计中，我们给学生介绍电机选型软件的使用，以加快设计速度。我们采用的电机选型软件是东方马达的ORIENTALMOTOR_CONTROL_MOTOR _SIZING，通过选择驱动机构、输入机械装置参数、输入运行条件、电机选择4个步骤完成选型，如图4至图7所示。
步进电机系统驱动器设置及连线，调整到《单片机》课程中进行教学，由于其原理比较简单，这里不再赘述。
电机选型软件具有一定的可靠性，在ROBOCON机器人大赛和机械创新大赛中，选用的电机工作可靠。
3.2.3 S7-200 SMART运动向导编程实验
步进电机PLC编程采用STEP 7-MicroWIN SMART运动向导生成组件（见图8），设置参数如表3所示。
组件生成后，使用组件编程，以简化编程过程，如图9所示。
3.2.4 往返运动控制
为了在实验中尽量不改动生产线的连线，可以建议学生采用STEP 7-MicroWIN SMART的运动控制面板进行。
从完成的步进电机组态控制设计课程设计来看，绝大多数同学能够通过编程，完成机械装置的往返运动，完成了组态技术、步进控制、运动向导使用的技术学习，达到了课程设计目的。
4 结语
在引进生产线的同时，对机械电子工程人才培养方案进行了调整，增设了自动生产线课程设计和电工技术课程，在教学中采用最简明的方法让学生尽快入门。通过近两年的努力，成功将机电控制的一些关键技术纳入教学体系中，达到了生产线实验室建设的目的。
参考文献
[1] 王军.PLC自动控制综合实验系统设计[J].机床与液压，2020，48（11）：115-121.
[2] 苟学亮.变频调速节能控制技术在带式输送机上的应用[D].西安科技大学，2019.
[3] 张建平，郝明，何艳，等.基于PLC和组态软件的啤酒厂糖化处理自动控制系统设计[J].自动化技术与应用，2020，39（5）：131-135.
[4] 李志梅，魏本建.基于S7-200 SMART PLC与MCGS触摸屏的以太网自动线系统构建[J].机电工程技术，2019，48（10）：26-29，97.
[5] 康麗芳.基于组态王晶体炉控制系统的设计[D].西安理工大学，2016.
[6] 段玉波，杨振威.基于PLC的多步进电机系统协同控制[J].自动化技术与应用，2019，38（5）：82-86.