论文部分内容阅读
摘要：项目教学法的特点是把整个学习过程分解为一个个具体的项目或事件，同时设计出一个个项目教学方案，不仅传授给学生理论知识和操作技能，更将职业角色融入日常教学中，培养学生的职业能力。本文以三菱可编程控制器（简称PLC）在教学中的应用与实践为例展开论述，着重说明了项目教学法在电气控制类专业教学实践中的应用既可充分贯彻职业教育任务引领的项目课程改革的要求，也可化整为零，将实例中的硬件和软件梳理后分为若干项目，描述了在课程改革实践中收到的效果，为工业自动化控制提供了教学实例。
关键词：项目教学法；可编程控制器；模拟电梯；集选控制；PG矢量控制
中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1672-5727（2011）05-0099-02
伴随着技工院校“任务引领的项目课程”改革进程的不断推进，项目教学法引起了职教界空前的关注，近些年来更是得到大力推广。项目教学法在传统的电气控制类专业中得到应用，显得尤为重要。为更好地适应社会对技能人才之需求，我校电气工程系与深圳雅鹿新技术公司共同开发了四台模拟电梯教学系统。该系统以PLC为控制核心，采用安川变频器实现带PG矢量控制驱动。其控制方式是对外部呼叫信号以及轿内指令信号进行综合处理后，采用顺序控制结合逻辑控制规律运行，可看成是一个人机交互式的集选控制系统。
项目教学法在硬件系统方面的设计与应用
（一）硬件系统的分项目设计
该模拟梯为四层四站，主要由电梯井道装置、控制柜、交流变频门机组成。其中，井道高2.2m，1～4层每层高0.5m，顶层端站高0.7m，底坑深0.3m。曳引系统设置在模拟井道正上方。
该控制系统的硬件配置如图l所示，其总体情况如下：FX2N－80MR型PLC为控制系统的核心，在具体教学实践中，可根据需要，加装串联通讯模板，实现两台梯的并联控制。这里以单台模拟电梯的集选功能（自动掌握停站时间、自动应答电梯轿厢内指令及厅外召唤，是自动化程度相对较高的控制方式）为控制目标。（1）门锁和安全保护回路是电梯重要的组成部分，关系到设备、乘客及维保人员的生命安全。根据国家标准，门锁回路主要由各层厅门门锁验证开关和轿门门锁验证开关以及并联的2个继电器组成。安全保护回路主要由电梯设备中的各个安全部件的验证开关及并联的2个继电器组成。门锁回路和安全保护回路将开关量信号输入到PLC，如果这两个回路有故障，可保证电梯不能运行。（2）轿厢通过随行线缆把4个轿内选层按钮信号和开关门按钮控制信号以开关量的形式输入到主PLC。轿厢称重系统分为空载、满载、超载三个类别，它们也以开关量信号的形式输入到主PLC。轿厢平层信号由轿厢顶上的三个感应器组成，用以完成电梯平层功能。电梯井道保护装置主要由井道上下强迫换速、限位、极限开关组成。其中，强迫换速和限位信号送到PLC输入端，极限开关串联在安全回路中。（3）厅外召唤信号从4个层站把6个召唤信号传输到主PLC，分别是1～3层楼上召按钮信号和2～4层楼的下召按钮信号。（4）变频器与PLC采用双向通讯，即PLC将曳引电动机上、下行控制信号及多段速控制信号送至变频器，变频器通过电动机执行为轿厢的位移控制；电动机将位移量通过旋转编码器的脉冲数传递给变频器TA1端，再经变频器分频后（一般设定分频比为1∶1）送入PLC的高速计数端X0进行计数，通过PLC内部程序获取电梯层楼信号，实现轿厢位置的闭环控制。（5）变频门机为交流变频门机。其特点是与主PLC之间的控制连接实现了项目模块化，来自轿厢内的开关门信号或者来自厅外的本层开门信号将开关门指令输入到PLC，PLC经控制程序运算后输出为开关门控制信号，对交流变频门机进行开门和关门控制。变频门机只把检测轿厢门状态的开门到位、关门到位两个信号传送到PLC输入端，而像其他开门、关门减速、力矩保持等复杂控制均由变频门机自身独立完成。（6）模拟梯显示部分采用LED发光管，共配置了轿内与外召指令灯指示、轿厢运行方向及楼层数位置显示。为了体现模块化的教学思路，将显示也分类并归到相关的控制电路中。例如，轿内指令按钮显示与轿内指令登记、消除合并为一个模块。
（二）硬件系统在教学实践中的分项目实施
教育心理学的认知规律告诉我们，学生在学习过程中总是由浅到深地获得知识和技能，因此，我们在PLC实践教学中采用化整为零的方式，将硬件部分分解为8个项目进行教学和实训，明确硬件范围，每个项目独立设置硬件学习目标，单独进行项目考核评估。当学完8个硬件项目后，学生基本掌握了电梯的工作原理和结构硬件，达到了项目教学目标。采用这种分项目实施，化整为零渐进式的教学方法，避免了过去教学中什么都讲，什么都不精，“眉毛胡子一把抓”的现象。同时，分项目的教学实施和评估也能对参与项目学习的学生进行及时的评估和检查，提高学生的学习积极性，加强教师对学生学习进程的把握。
项目教学法在PLC编程方面的教学设计与实施
（一）软件系统项目设计
在教学进程中，当学生初步掌握了电梯的硬件结构后，接下来就是围绕控制程序进行教学设计了。以往的教学模式是把整个程序从前到后分段讲授，授课过程中程序之间缺乏明显的功能区分，且逻辑上前后交织，学生往往感到无从下手。笔者根据近年的教学体会认为教师在教学过程中应该真正起到主导作用，尤其要善于把知识技能归纳梳理，化繁为简传授给学生。如何将复杂交织的程序部分简化呢？笔者根据项目教学法的设计思路，在教学实践中对繁复的高达近千步的PLC程序进行分类区别，提炼出各个相对独立的项目来实施。对于较为复杂的项目，可下设细化的各级子项目，分步实施。每一项目独立完成一个既定的功能，各项目之间又相互呼应，紧密联系成为一体。图2所示的程序流程图是各个一项目级之间的关系。
一级项目的设计根据电梯控制要求，可将电梯集选控制、检修控制、消防控制这三类控制方式设置为一级项目，其中，检修控制优先级最高，其次是消防控制，优先级最低的为集选控制。从控制复杂度来说，集选控制难度最大，消防次之，检修控制难度则最低，这里重点以集选控制项目为例，展开论述。
二级项目的设计根据集选电梯工作流程，将不同的功能分为独立的项目开展实施。项目之间紧密联系，层层递进，各个项目也可看成是完成总体功能的“子项目”，前面的项目是完成后续项目的基础，但又相对独立。现对集选控制项目的分项目分别介绍如下：分项目一：电梯层楼位置获取和显示。该项目是整个集选控制程序最基础的部分，基本思路是把变频器送到PLC高速计数端X0的脉冲数进行累计（设轿厢上行作加计数，下行作减计数），并根据当前计数值，判断轿厢位置，继而驱动相应的层楼辅助继电器，实现层楼位置的显示。分项目二：内选登记、销号及显示。该模块将内选指令的登记、销号与显示采用一体化处理方式，起到了简洁直观的效果。分项目三：外召登记、销号及显示模块。该模块在设计上与内选模块平行，体现了他们在控制原理上的平等性，而其具体的优先级只能在其他程序模块调用过程中才能体现。分项目四：逻辑定向模块。在以往的教学中，该部分程序往往是学生较难理解和掌握的部分，整个程序逻辑互為交织，十分繁琐。为此，笔者在教学实践中，将厅外召唤信号和轿内信号组合后形成选层模块，直接供定向模块调用，简化了程序，大大增加了可读性，取得了十分满意的教学效果。分项目五：开关门控制模块，如图4所示。变频门机开关门控制模块又可细分为开门控制模块和关门控制模块（二级）；其中，开门控制模块又分为平层后自动开门、按开门按钮开门、本层厅外开门模块（三级）；而本层厅外开门模块又可分为无向任意外召按钮开门、有向顺向按钮开门模块（四级）。如此一来该模块的控制思路变得十分清晰，在教学中，学生的学习兴趣越来越浓，学习积极性明显提高。分项目六：电梯拖动运行模块。在电梯具备前述各模块功能后，就涉及轿厢的运行，该模块的主要功能包括以下几个控制阶段：第一，启动。电梯定向完毕，门联锁闭合、安全回路正常，变频器多段速指令1（多功能端子S5）、多段速指令2（多功能端子S6）同时接通，变频器按照预先设定的曲线如图5中OA段启动运行，最高频率设为30Hz（功能端子可根据用户需要自行设定其功能）。第二，匀速运行。启动完毕进入匀速运行，以30Hz频率运行，如图5中AB段。第三，换速。当电梯达到换速点（如图5中B点），换速信号被触发后，多段速指令2（多功能端子S6）断开，只有多段速指令1（S5）继续接通，变频器驱动电动机按照曲线BC段运行，最后到达10Hz频率慢速爬行CD段。第四，平层停车。当轿厢慢速爬行至平层点D时，多段速指令1（多功能端子S5）断开，主电路曳引机电源断开，电磁制动器合闸，电梯平层停车，轿厢按照DE段掣停。
（二）软件系统在教学实践中的分项目应用
经过近年的实践教学，笔者认为技工类学校在突出技能训练的同时，也不能忽视学生兴趣的培养。为此，笔者突破传统的按部就班的教学模式，在实训一开始就先编制一个点动控制程序，使模拟梯先走起来。例如，电梯楼层的显示模块教学，轿厢如果先简单走起来，就可动态交替显示，从一开始就将实训效果展示给学生，大大增强了课程的生动直观性，学生所学技能立刻得到校验，在实践中极大激发了他们学习技能的兴趣。在此简单的拖动程序的基础上，可以完成电梯位置获取和显示，轿厢内选信号登记、消除及显示，厅外召唤信号登记、消除及显示，综合逻辑定向等任务。当上述项目完成后，再来编制标准的拖动程序。此时虽然复杂，但学生兴趣浓厚且编程能力已达到一定水准，在教师的指导下，实现整个电梯的集选控制过程较为顺利。这种以分项目教学思想为指导，以激发学生学习兴趣为突破口，从简单到复杂的教学思路，在实践教学中得到了学生的一致好评和学校督导组的表扬。
本系统运行情况良好，系统的各项控制均已达到要求，大大促进了教学和社会化培训水平。同时，这套系统将来可用于实验教学，是“自动控制系统”实验教学的一个生动案例。因此，该系统具有一定的推广意义。
参考文献：
[1]马庆发.当代职业教育新论[M].上海：上海教育出版社，2002.
[2]徐国庆，石伟平.21世纪世界职业技术教育发展的课题与展望[J].外国教育资料，2000，（6）.
[3]张汉杰，等.现代电梯控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996.
作者简介：
李跃华（1976—），男，内蒙古锡林郭勒人，深圳技师学院讲师，研究方向为电工电子及物业机电。
关键词：项目教学法；可编程控制器；模拟电梯；集选控制；PG矢量控制
中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1672-5727（2011）05-0099-02
伴随着技工院校“任务引领的项目课程”改革进程的不断推进，项目教学法引起了职教界空前的关注，近些年来更是得到大力推广。项目教学法在传统的电气控制类专业中得到应用，显得尤为重要。为更好地适应社会对技能人才之需求，我校电气工程系与深圳雅鹿新技术公司共同开发了四台模拟电梯教学系统。该系统以PLC为控制核心，采用安川变频器实现带PG矢量控制驱动。其控制方式是对外部呼叫信号以及轿内指令信号进行综合处理后，采用顺序控制结合逻辑控制规律运行，可看成是一个人机交互式的集选控制系统。
项目教学法在硬件系统方面的设计与应用
（一）硬件系统的分项目设计
该模拟梯为四层四站，主要由电梯井道装置、控制柜、交流变频门机组成。其中，井道高2.2m，1～4层每层高0.5m，顶层端站高0.7m，底坑深0.3m。曳引系统设置在模拟井道正上方。
该控制系统的硬件配置如图l所示，其总体情况如下：FX2N－80MR型PLC为控制系统的核心，在具体教学实践中，可根据需要，加装串联通讯模板，实现两台梯的并联控制。这里以单台模拟电梯的集选功能（自动掌握停站时间、自动应答电梯轿厢内指令及厅外召唤，是自动化程度相对较高的控制方式）为控制目标。（1）门锁和安全保护回路是电梯重要的组成部分，关系到设备、乘客及维保人员的生命安全。根据国家标准，门锁回路主要由各层厅门门锁验证开关和轿门门锁验证开关以及并联的2个继电器组成。安全保护回路主要由电梯设备中的各个安全部件的验证开关及并联的2个继电器组成。门锁回路和安全保护回路将开关量信号输入到PLC，如果这两个回路有故障，可保证电梯不能运行。（2）轿厢通过随行线缆把4个轿内选层按钮信号和开关门按钮控制信号以开关量的形式输入到主PLC。轿厢称重系统分为空载、满载、超载三个类别，它们也以开关量信号的形式输入到主PLC。轿厢平层信号由轿厢顶上的三个感应器组成，用以完成电梯平层功能。电梯井道保护装置主要由井道上下强迫换速、限位、极限开关组成。其中，强迫换速和限位信号送到PLC输入端，极限开关串联在安全回路中。（3）厅外召唤信号从4个层站把6个召唤信号传输到主PLC，分别是1～3层楼上召按钮信号和2～4层楼的下召按钮信号。（4）变频器与PLC采用双向通讯，即PLC将曳引电动机上、下行控制信号及多段速控制信号送至变频器，变频器通过电动机执行为轿厢的位移控制；电动机将位移量通过旋转编码器的脉冲数传递给变频器TA1端，再经变频器分频后（一般设定分频比为1∶1）送入PLC的高速计数端X0进行计数，通过PLC内部程序获取电梯层楼信号，实现轿厢位置的闭环控制。（5）变频门机为交流变频门机。其特点是与主PLC之间的控制连接实现了项目模块化，来自轿厢内的开关门信号或者来自厅外的本层开门信号将开关门指令输入到PLC，PLC经控制程序运算后输出为开关门控制信号，对交流变频门机进行开门和关门控制。变频门机只把检测轿厢门状态的开门到位、关门到位两个信号传送到PLC输入端，而像其他开门、关门减速、力矩保持等复杂控制均由变频门机自身独立完成。（6）模拟梯显示部分采用LED发光管，共配置了轿内与外召指令灯指示、轿厢运行方向及楼层数位置显示。为了体现模块化的教学思路，将显示也分类并归到相关的控制电路中。例如，轿内指令按钮显示与轿内指令登记、消除合并为一个模块。
（二）硬件系统在教学实践中的分项目实施
教育心理学的认知规律告诉我们，学生在学习过程中总是由浅到深地获得知识和技能，因此，我们在PLC实践教学中采用化整为零的方式，将硬件部分分解为8个项目进行教学和实训，明确硬件范围，每个项目独立设置硬件学习目标，单独进行项目考核评估。当学完8个硬件项目后，学生基本掌握了电梯的工作原理和结构硬件，达到了项目教学目标。采用这种分项目实施，化整为零渐进式的教学方法，避免了过去教学中什么都讲，什么都不精，“眉毛胡子一把抓”的现象。同时，分项目的教学实施和评估也能对参与项目学习的学生进行及时的评估和检查，提高学生的学习积极性，加强教师对学生学习进程的把握。
项目教学法在PLC编程方面的教学设计与实施
（一）软件系统项目设计
在教学进程中，当学生初步掌握了电梯的硬件结构后，接下来就是围绕控制程序进行教学设计了。以往的教学模式是把整个程序从前到后分段讲授，授课过程中程序之间缺乏明显的功能区分，且逻辑上前后交织，学生往往感到无从下手。笔者根据近年的教学体会认为教师在教学过程中应该真正起到主导作用，尤其要善于把知识技能归纳梳理，化繁为简传授给学生。如何将复杂交织的程序部分简化呢？笔者根据项目教学法的设计思路，在教学实践中对繁复的高达近千步的PLC程序进行分类区别，提炼出各个相对独立的项目来实施。对于较为复杂的项目，可下设细化的各级子项目，分步实施。每一项目独立完成一个既定的功能，各项目之间又相互呼应，紧密联系成为一体。图2所示的程序流程图是各个一项目级之间的关系。
一级项目的设计根据电梯控制要求，可将电梯集选控制、检修控制、消防控制这三类控制方式设置为一级项目，其中，检修控制优先级最高，其次是消防控制，优先级最低的为集选控制。从控制复杂度来说，集选控制难度最大，消防次之，检修控制难度则最低，这里重点以集选控制项目为例，展开论述。
二级项目的设计根据集选电梯工作流程，将不同的功能分为独立的项目开展实施。项目之间紧密联系，层层递进，各个项目也可看成是完成总体功能的“子项目”，前面的项目是完成后续项目的基础，但又相对独立。现对集选控制项目的分项目分别介绍如下：分项目一：电梯层楼位置获取和显示。该项目是整个集选控制程序最基础的部分，基本思路是把变频器送到PLC高速计数端X0的脉冲数进行累计（设轿厢上行作加计数，下行作减计数），并根据当前计数值，判断轿厢位置，继而驱动相应的层楼辅助继电器，实现层楼位置的显示。分项目二：内选登记、销号及显示。该模块将内选指令的登记、销号与显示采用一体化处理方式，起到了简洁直观的效果。分项目三：外召登记、销号及显示模块。该模块在设计上与内选模块平行，体现了他们在控制原理上的平等性，而其具体的优先级只能在其他程序模块调用过程中才能体现。分项目四：逻辑定向模块。在以往的教学中，该部分程序往往是学生较难理解和掌握的部分，整个程序逻辑互為交织，十分繁琐。为此，笔者在教学实践中，将厅外召唤信号和轿内信号组合后形成选层模块，直接供定向模块调用，简化了程序，大大增加了可读性，取得了十分满意的教学效果。分项目五：开关门控制模块，如图4所示。变频门机开关门控制模块又可细分为开门控制模块和关门控制模块（二级）；其中，开门控制模块又分为平层后自动开门、按开门按钮开门、本层厅外开门模块（三级）；而本层厅外开门模块又可分为无向任意外召按钮开门、有向顺向按钮开门模块（四级）。如此一来该模块的控制思路变得十分清晰，在教学中，学生的学习兴趣越来越浓，学习积极性明显提高。分项目六：电梯拖动运行模块。在电梯具备前述各模块功能后，就涉及轿厢的运行，该模块的主要功能包括以下几个控制阶段：第一，启动。电梯定向完毕，门联锁闭合、安全回路正常，变频器多段速指令1（多功能端子S5）、多段速指令2（多功能端子S6）同时接通，变频器按照预先设定的曲线如图5中OA段启动运行，最高频率设为30Hz（功能端子可根据用户需要自行设定其功能）。第二，匀速运行。启动完毕进入匀速运行，以30Hz频率运行，如图5中AB段。第三，换速。当电梯达到换速点（如图5中B点），换速信号被触发后，多段速指令2（多功能端子S6）断开，只有多段速指令1（S5）继续接通，变频器驱动电动机按照曲线BC段运行，最后到达10Hz频率慢速爬行CD段。第四，平层停车。当轿厢慢速爬行至平层点D时，多段速指令1（多功能端子S5）断开，主电路曳引机电源断开，电磁制动器合闸，电梯平层停车，轿厢按照DE段掣停。
（二）软件系统在教学实践中的分项目应用
经过近年的实践教学，笔者认为技工类学校在突出技能训练的同时，也不能忽视学生兴趣的培养。为此，笔者突破传统的按部就班的教学模式，在实训一开始就先编制一个点动控制程序，使模拟梯先走起来。例如，电梯楼层的显示模块教学，轿厢如果先简单走起来，就可动态交替显示，从一开始就将实训效果展示给学生，大大增强了课程的生动直观性，学生所学技能立刻得到校验，在实践中极大激发了他们学习技能的兴趣。在此简单的拖动程序的基础上，可以完成电梯位置获取和显示，轿厢内选信号登记、消除及显示，厅外召唤信号登记、消除及显示，综合逻辑定向等任务。当上述项目完成后，再来编制标准的拖动程序。此时虽然复杂，但学生兴趣浓厚且编程能力已达到一定水准，在教师的指导下，实现整个电梯的集选控制过程较为顺利。这种以分项目教学思想为指导，以激发学生学习兴趣为突破口，从简单到复杂的教学思路，在实践教学中得到了学生的一致好评和学校督导组的表扬。
本系统运行情况良好，系统的各项控制均已达到要求，大大促进了教学和社会化培训水平。同时，这套系统将来可用于实验教学，是“自动控制系统”实验教学的一个生动案例。因此，该系统具有一定的推广意义。
参考文献：
[1]马庆发.当代职业教育新论[M].上海：上海教育出版社，2002.
[2]徐国庆，石伟平.21世纪世界职业技术教育发展的课题与展望[J].外国教育资料，2000，（6）.
[3]张汉杰，等.现代电梯控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996.
作者简介：
李跃华（1976—），男，内蒙古锡林郭勒人，深圳技师学院讲师，研究方向为电工电子及物业机电。