中图法分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)01-254-03
Application of the Opto-Mechatronics Practice Training Equipment in Course Teaching of Mechanical Specialty
FANG Gui-sheng, SUN Ping
(Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College, Hangzhou 310018, China)
Abstract: The traditional teaching equipment is mainly used to verification experimental teaching. It is deficient to foster students practical ability and creativity. The opto-mechatronics practice training equipment which adopts open architecture and modular structure, applies various technologies, such as mechanical technology, electrical control technology, PLC technology, pneumatic technology, sensing technology to train students comprehensive ability. In this paper basic structure and main functions of the opto-mechatronics practice training equipment are introduced. Some course modules and course projects of mechanical specialty are designed based on the equipment. Finally, by making an example in the electrical control and PLC course teaching, the teaching method combining theory with practice is described.
Key words: opto-mechatronics; practice training equipment; teaching combining theory with practice; project teaching; modular teaching
1 概述
职业教育的核心是提高学生的实践动手能力和分析解决实际问题的能力。传统的职业教育模式是专业理论课和实训课分开进行,其弊端是理论和实践相分离,重理论而轻实践,教师教学缺乏新意,上课枯燥乏味,学生听课不感兴趣,上课昏昏欲睡,这样直接造成的后果就是培养的学生动手能力差,解决实际问题的能力差,课程教学难以达到职业教育培养目标的要求。解决该问题的关键是适当引入实训设备,探索理实一体化教学模式。
理实一体化教学作为职业院校专业教学中探索创新的一种教学模式,它强调充分发挥教师的主导作用,将理论学习和实际训练紧密结合起来,注重培养学生的动手能力,全程构建素质和技能培养框架,丰富课堂教学和实践教学环节,提高教学质量。理实一体化教学要求学校建立专业教室,配备相应的专业设备和计算机辅助教学设施,将有关专业设备和教学设备同置一室,将专业理论课和生产实习等实践性教学环节安排在专业教室中进行教学[1-2]。
高职高专机电类课程教学大多需要实验实训设备的支撑。传统的教学仪器设备主要为了满足某门课程验证性实验的需要,缺乏对学生实践动手能力和创新能力的培养。光机电一体化实训装置融合了机械、电气、PLC、气动、传感等多种技术,采用了开放式和模块式结构,可满足《电气控制与PLC》、《机电一体化设备安装与维护》等多门课程理论实践一体化教学的需要。正是基于以上考虑,我校在省财政的支持下,面向机电一体化、数控技术、电气自动化等专业课程教学的需要,引入了光机电一体化实训装置和模块化生产线等设备,并积极探索理实一体化教学模式,取得了初步成效,显著提高了学生的实践动手能力和社会竞争力。
2 光机电一体化实训装置的基本构成
2.1 光机电一体化实训装置的总体结构
光机电一体化实训装置由型材导轨式实训台、典型机电一体化设备机械部件、PLC模块、变频器模块、按钮模块、电源模块、低压电器模块、模拟生产设备实训模块(包含上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣等)、接线端子排、各种传感器、警示灯和气动电磁阀等组成。整体结构采用开放式和拆装式设计,学生可以组装、接线、编程和调试由上料机构、搬运机械手机构、皮带输送线和物料分拣组成的光机电一体化设备。装置的总体结构示意图如图1所示。
2.2 装置主要模块的基本组成
1) PLC主机:采用了CPU226 AC/DC/晶体管(24路数字量输入/16路晶体管输出)、两个RS-485通信口、EM222(8路数字量输出),在PLC的每个输入端均有开关,PLC主机的输入/输出接口均已连到面板上,方便用户使用。
2) 变频器模块:采用西门子MM420变频器,三相380V供电,输出功率0.75KW。集成RS-485通讯接口,提供BOP操作面板;集成3路数字量输入/1路继电器输出,1路模拟量输入/1路模拟量输出;具备过电压、欠电压保护,电机过热保护,短路保护等。提供调速电位器,所有接口均采用安全插连接。
3) 电机模块:包括三相交流异步电动机,步进电机和步进电机驱动器等。
4) 低压电器模块:配备了交流接触器、热继电器、电子式时间继电器、中间继电器、变压器、整流电路、能耗制动电阻、带灯按钮、断路器、熔断器、行程开关、组合开关、转换开关、速度继电器、磁性开关、急停按钮、复位按钮、自锁按钮等低压电器。
5) 气动模块:包括了静音气泵、单杆气缸、双杆气缸、气动手爪、单控电磁阀、双控电磁阀、旋转气缸等。
6) 传感器模块:具备了电感传感器、漫反射式光电传感器、对射式光电传感器、光纤传感器,可区分金属物料和非金属物料、不同颜色的物料。
7) 触摸屏与组态模块:配备了深圳步科EVIEW MT4200工业触摸屏和EV5000组态编程软件。
2.3 装置主要部件的工作原理[3]
1) 机械手搬运机构
当存放料台检测光电传感器检测物料到位后,机械手手臂前伸,手臂伸出限位传感器检测到位后,延时0.5秒,手爪气缸下降,手爪下降限位传感器检测到位后,延时0.5秒,气动手爪抓取物料,手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号后;延时0.5秒,手爪气缸上升,手爪提升限位传感器检测到位后,手臂气缸缩回,手臂缩回限位传感器检测到位后;手臂向右旋转,手臂旋转一定角度后,手臂前伸,手臂伸出限位传感器检测到位后,手爪气缸下降,手爪下降限位传感器检测到位后,延时0.5秒,气动手爪放开物料,手爪气缸上升,手爪提升限位传感器检测到位后,手臂气缸缩回,手臂缩回限位传感器检测到位后,手臂向左旋转,等待下一个物料到位,重复上面的动作。在分拣气缸完成分拣后,再将物料放入输送线上。
2) 物料分拣机构
当入料口光电传感器检测到物料时,变频器接收启动信号,三相交流异步电机以30HZ的频率正转运行,皮带开始输送工件,当料槽一到位检测传感器检测到金属物料时,推料一气缸动作,将金属物料推入一号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,电动机停止;当料槽二检测传感器检测到白色物料时,旋转气缸动作,将白色物料导入二号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,旋转气缸转回原位,同时电动机停止;当物料为黑色物料直接导入三号料槽,料槽检测传感器检测到有工件经过时,电动机停止。
3 基于实训装置的课程模块与项目设计
光机电一体化实训装置融合了机械、电气、电动机、PLC、气动、传感等多项技术,并面向职业教育发展的需要,采用了开放式和拆装式结构,可根据课程内容需要选用不同的模块组合,满足《电气控制与PLC》、《液压与气动控制》、《变频调速技术》、《检测与传感技术》、《机电一体化设备安装与维护》等多门课程理实一体化教学的需要。表1为利用该实训装置开发的课程模块和教学项目。
4 基于实训装置的理实一体化教学
4.1 理实一体化教学场地安排
传统的职业教育模式是理论教学和实践教学分开进行,造成理论与实践分离,而且实验实训室功能单一,设备利用率低。为了改变这种现状,突出职业教育的实践性,我校引入了光机电一体化实训装置,并根据现场化教学的需要,将教学环境设计为现场教学模式, 建立理论与实践一体化教学的专业教室,融教室、实训、实验、考工于一体, 使专业教室具有传统教学、多媒体教学、实物展示、演练实训、考工强化训练和考工等多种功能, 营造出良好的职业氛围和环境。整个一体化实训室面积达150m2,室内配备了九台光机电一体化实训装置,一套MPS模块化生产线实训装置,以及46台电脑和投影、音响教学设备,配备了统一的实验桌椅、黑板、仪器柜等,可满足单班课程现场化教学的需要,实现课程教学做于一体,教学场地布置如图2所示。
电脑与操作台区属于基础教学部分,主要用于知识讲解、课程讨论、软件编程、低压电器实训等。实验桌上安装了网孔板,既用于液晶显示器的保护,又可固定常用的低压电器,作电工实训用。光机电一体化实训区属于应用部分,既可用于单门课程的实训需要,也可满足课程综合教学的需要,如PLC实训、变频调速实训、机电设备安装与调试操作等。模块化生产线区属于高级扩展部分,配备了自动传输、立体仓库、三坐标测量、模拟加工等八个模块,模块与模块之间采用了以太网和现场总线进行相互连接,侧重于生产线的总体控制实训等。
4.2 《电气控制与PLC》理实一体化教学思路
我校的《电气控制与PLC》课程在2005年被确定为省级精品课程,四年来项目组老师根据我校学生的特点探索了多种现代化教学方法,其中效果最显著的当属基于光机电一体化实训装置的理实一体化教学模式。以下为实施该教学模式而采取的一些有效措施:
1) 课前根据实训装置的特点,合理设计教学项目,编写教学讲义,制作多媒体教学课件和仿真动画,以提高课程教学的实用性和针对性,提高学生学习的积极性和趣味性。这部分工作是关键所在,直接关系到理实一体化教学模式能否顺利进行。
2) 在课程教学之初,组织学生到校工程训练中心进行参观,增加感性知识,了解普通车床、铣床、钻床的工作原理和控制要求,以及实际的电气控制电路;了解常用低压电器、PLC在数控车床、数控铣床、加工中心、电梯控制系统中的应用等。
3) 在讲解电气控制部分时,每个实验桌上放一套常用的低压电器和电工工具,方便学生了解各种低压电器的结构,学习基本控制电路的安装、调试方法等。
4) 在讲解PLC基础部分时,每个实验桌上放一个PLC和一套常用的低压电器,方便学生了解PLC的结构、接线方法等;方便学生自己动手设计、调试基于PLC的电机控制电路等。
5) 根据学生的特点,实行分类教学,充分发挥学生间的传、帮、带作用。对于平时表现优秀的学生,给与较高的要求,安排较难的设计任务,并要求不光自己学会设计和操作,还需要帮助组内的同学完成设计任务。对于平时表现一般的学生,需要加强引导和督促,适当加以鼓励,激发学生的学习兴趣和求知欲。对于平时表现较差的学生,则需要给予较多的关注,必要时采用强制措施,迫使他们掌握本课程的基础知识和基本技能。
6) 加强中间过程考核和期末实践考核,增添答辩环节,提高学生的口头表达能力,强化学生综合技能的培养。对教学过程中的每个项目组织考核,并根据学生的表现进行打分,计入平时成绩。在期末再安排一次实践考核,随机抽取平时训练过的项目任务,并给予评分,计入总评成绩。在实际操作过程中,这一招对平时不太爱学习的学生有很大的促进作用。
5 结束语
将光机电一体化实训装置引入课程教学,实现理论与实践一体,不仅提高了学生的学习兴趣和实践动手能力,同时也提高了教师的教学业务能力。整个实训装置包括了机械、电气、PLC、组态设计、气压、传感器等多项知识,不仅要求教师要有过硬的理论知识,更重要是具备综合运用知识和解决问题的能力,随时解决学生在操作中碰到的各种问题。另外新的实训设备引入,也需要教师根据实训装置编写合适的讲义,探索新的教学模式,这样对教师个人能力的培养也有很大的促进作用。
1．1赛前组织
1．1．1人员组织
学校成立电子设计大赛领导小组．全国大学生电子设计大赛和省级大学生电子设计大赛轮流隔年举办一次，领导小组是常设机构，负责电子竞赛组织、管理、协调工作．电子设计大赛领导小组组长一般由主管教学副校长担任，副组长由学校教务处处长和相关学院院长共同担任，办公室主任由电工电子实验中心主任担任．办公室设在实验中心，负责处理大赛日常事务，成员包括指导老师、实验员及大赛相关人员．电子设计大赛领导小组负责相关部门协调和政策落实和大赛组织和宣传，负责参赛人员管理和学生培训，负责赛前制定培训计划收集整理资料，负责与赛区组委会联络和大赛专项经费管理，负责元器件及耗材保管、整理、发放、采购和培训竞赛场地管理，负责培训竞赛后勤保障和学生管理．电子设计大赛人员组织包含指导老师的组织和参赛学生的组织．强有力的指导老师团队是电子设计大赛取得成功的基础．随着技术发展，大赛专业知识广度和深度不断加深，题目更加新颖贴近生活，包括电源类、控制类、无线收发类、仪器仪表类等，涉及电子技术各领域和方向，对指导老师综合素质和能力提出了更高要求．指导老师需要精通模拟电路、数字电路、高频电路，精通51单片机和熟练运用CORTEX－M3嵌入式系统、CPLD/FPGA可编程逻辑器件、DSP数字信号处理器等，有丰富的实践经验和极强攻坚能力．根据实际情况组建指导教师团队给学生全方位的指导，充分发挥指导教师特长，取长补短，相互学习，共同提高．参赛学生是大赛主体，加强宣传，吸引更多同学参与大赛，同时保证竞赛质量和水平，经选拔合格或任课老师推荐才能正式报名参加．大三学生知识结构和实践能力强于大二学生，选拔时以大三学生为主，适当选取大一、大二学生保证后备力量，组成电子设计大赛参赛队伍．通过学校宣传、领导小组动员、辅导员讲解，使参赛同学全方位多角度了解电子设计大赛的意义和目的，对就业和成长的帮助，调动学生竞赛积极性和热情．
1．1．2经费组织
电子设计大赛经费使用原则:预算清晰，专人管理，专款专用，合理使用，厉行节约，保证运行，各项开支在预算内完成，开支与预算一致．经费来源分为学校年度预算和校内部门筹集，用于电子设计大赛基本运行和指导教师课时补贴．基本运行包含报名费、管理费、电子元器件及耗材采购添置、竞赛期间餐费及其他杂费．指导教师课时补贴指赛前教师培训课时费、竞赛期间指导教师补贴．电子设计大赛经费不含教师差旅费和竞赛获奖后学校发放奖金，赛后根据政策另行拨付．
1．1．3设备耗材组织
大赛设备耗材专人管理，专人采购，统一分配;培训类耗材由培训教师提出计划统一采购．
1．2赛前培训
电子设计大赛赛前对学生的培训是学生提高的重要过程，很大程度上决定了比赛成绩．指导教师根据历年竞赛内容和特点，结合自身特长制定详尽的培训计划和方案．大三学生知识相对全面但实践应用能力较差，没有系统设计经验，知识点孤立难以将各门课程融合到一起，大二学生专业知识结构不完整，认识片面，指导教师根据学生实际情况因材施教做出个性化的培训与辅导，使培训效果达到最佳．培训分两个阶段，时间5～6周．第一阶段(3～4周)采用集中授课与实际制作相结合的方式，第二阶段(2～3周)采用三人一组半开放自主设计的方式．第一阶段包含模块电路分析、设计、调试、制作、参数测试、基本仪器使用及报告书写，对往届比赛重点模块电路进行有针对性专题讲座和制作．重点模块有电源电路、信号调理与运算放大电路、传感器与微弱信号检测电路、信号发生电路、通信电路、电压与频率转换电路，单片机最小系统、人机交互电路、数据采集电路、驱动电路等．设计报告内容包含:摘要，叙述核心技术、实现方法与发挥;系统设计方案，叙述方案选择、系统结构、实现方法;硬件电路设计与分析计算，叙述硬件电路原理、计算、设计与实现;软件设计，叙述软件程序思想、流程、实现方法与重点程序;测试结果与分析，叙述测试仪器、测试方法、测试结果、数据分析;总结与展望，总结题目完成情况、存在问题与展望．第一阶段使学生掌握基本模块电路，对电子设计进一步了解和认识，优秀学生脱颖而出，具备冲击奖项实力，指导教师对这部分同学重点关注，毕竟指导教师精力有限，不可能面面俱到，拿奖也是一项重要而艰巨的任务．第二阶段3人一队进行赛前热身．按比赛要求自主设计，锻炼同学们系统分析与设计、制作与调试、参数测试、团队分工与协作能力．每队由3名同学自愿组合组成，1名同学负责软件编写，1名同学负责硬件制作，1名同学负责报告撰写．实际比赛有很多突况需共同讨论、共同参与、共同应对、共同解决．指导教师可以根据以往题目特点、内容和难度自行设计题目，也可以直接选择往届典型题目．第二阶段模拟训练展现了各队水平和能力，也暴露存在的问题，指导教师根据每队实际情况进行赛前辅导．
2赛期管理
比赛前2～3周，组委会发放比赛用单片机和开发平台，提前让参赛队熟悉开发环境，赛前一周公布本届电子设计大赛可能用到的元器件测试仪器，指导教师团队根据公布元器件清单估计本届比赛可能出现的题目和用到的模块．指导教师对器件进行分析，列出本次大赛可能用到元器件详细清单，交器件管理员清理汇总，不足部分立即准备和采购，采购应确保器件质量，排除器件质量问题带来的故障和干扰．参赛队在赛前调试好竞赛场地仪器设备，查看元器件清单结合指导老师分析对新器件和不熟悉模块进行搭建与调试，为比赛正式开始做好准备．4天3夜的电子设计大赛开始后，第一天选择题目、设计方案与具体电路，领取元器件及耗材，不足的元器件汇总立即采购．第二天完成软件编写和部分模块电路搭建．第三天完成软硬件联调和报告书写．第四天完成参数测试，有能力的同学完成发挥部分设计．
一、引言
目前，职业学校普遍存在着学生实践能力差的问题，这是由于在传统教育模式下，职业技校的理论与实践没有有机的结合在一起，导致理论教学与实践教学的脱节，学生在理论课中不能积极的投入，而老师的教学模式缺乏新意，导致学生在上课期间听不懂也听不下去，理论课达不到实际的效果。在实践课上，由于学生缺乏理论基础，对设备的结构设计、运行原理缺乏认知，只能盲目的操作。对于职业学校机电类的课程来说，在教学上需要有设备和理论作为基础，在此基础之上，教学老师还要想方设法的对教学内容创新，根据学生的实际情况，来设计教学的结构、内容、思路等，使教学达到学生能够学以致用的目的，因此就需要结合理论与实践的教学方法，使其有机的融合在一起，机电类课程结合了机械、PLC、传感等多项技术，在结构上大多是模块化，教学老师不仅要使学生熟练掌握设备操作，还要与《电气控制与PLC》、《机电一体化设备安装与维护》等多门课程相结合，因此，只有引入机电一体化实训装置和模块化生产线等设备，并积极探索理实一体化教学模式，才能提高了学生的实践动手能力和社会竞争力。
二、机电一体化实训装置的主要模块和基本构成
1、机电一体化实训装置的总体结构
机电一体化实训装置是职业学校根据学生的实际情况购进的机电一体化设备，来供学生实践课学习使用，提高学生的实践能力。机电一体化实训装置的结构一般包括电脑、PLC主机、变频器模块、电机模块、气动控制模块等，总体上来说是由硬件和软件构成，目前的机电一体化装置是模块化和开放式的结构，在教学的过程中，可以指导学生了解装置构造和拆卸、组装等技能的培训。
2、装置主要模块的基本组成
（1）PLC主机：采用了CPU226AC/DC/晶体管（24路数字量输入/16路晶体管输出）、两个RS-485通信口、EM222（8路数字量输出），在PLC的每个输入端均有开关，PLC主机的输入/输出接口均已连到面板上，方便用户使用。
（2）变频器模块：“采用西门子MM420变频器，三相380V供电，输出功率0.75KW。集成RS-485通讯接口，提供BOP操作面板；集成3路数字量输入/1路继电器输出，1路模拟量输入/1路模拟量输出；具备过电压、欠电压保护，电机过热保护，短路保护等。提供调速电位器，所有接口均采用安全插连接。”
（3）电机模块：包括三相交流异步电动机，步进电机和步进电机驱动器等。
（4）低压电器模块：配备了交流接触器、热继电器、电子式时间继电器、中间继电器、变压器、整流电路、能耗制动电阻、带灯按钮、断路器、熔断器、行程开关、组合开关、转换开关、速度继电器、磁性开关、急停按钮、复位按钮、自锁按钮等低压电器。
（5）气动模块：包括了静音气泵、单杆气缸、双杆气缸、气动手爪、单控电磁阀、双控电磁阀、旋转气缸等。
（6）传感器模块：具备了电感传感器、漫反射式光电传感器、对射式光电传感器、光纤传感器，可区分金属物料和非金属物料、不同颜色的物料。
（7）触摸屏与组态模块：配备了深圳步科EVIEWMT4200工业触摸屏和EV5000组态编程软件。
三、机电一体化实训装置的功能和机电类课程教学中的应用
1、机电一体化教学课程设计
根据教学计划和现在对机电类人才的要求，目前职业学校内主要开设的课程有：《机电一体化设备安装与维护》、《检测与传感技术》等关于机电一体化装置运行原理和设备介绍与实际操作的课程。从课程设置上要与实际操作相结合，学生能够学以致用，并熟练的掌握机电一体化装置的操作。
2、《电气控制与PLC》理实一体化教学思路
首先根据教学要求和设备特点编写教学讲义、课件等。其次组织学生到学校内部训练中心参观，对机电一体化有一个基本的了解；同时，配齐学生在学习电气控制时所用的设备，根据学生不同的特点，对学生进行分类教学，因材施教，激发学生的兴趣；最后制定好考核标准。
四、结束语
在职业学校中，对学生的教育首先要根据人才的要求和学生的实际情况开展教学工作，对于机电类的课程，在引入机电一体化实训装置的基础之上，集合理论与实践，使课程变得丰富多彩，学生提高了浓厚的兴趣，才能全身心的投入到学习中，对于教师而言，对机电一体化实训装置做好必要的知识储备和教学内容上的创新，帮助学生解决各种问题。不仅能够促进学生提高创新与实践能力，还能够提高教师自身的能力。
参考文献:
二、进行教学内容的调整
在调查研究的基础上，分析现有的实践教学，我们从培养目标制定开始进行实践教学内容调整，包括电路、高压电技术、电机学、数字电子、等实验课的教学内容，电工工艺、仪表安装与调试、断路器拆装检修等实习，增加了生产一线所需要的实践教学内容。为去变电所工作的学生动手能力的提高，增加了“变电所运行与维护”的内容，包括隔离开和关断路器的拆装检修；长用测量仪表的安装与调试；无功补偿和防雷接地系统的安装与维护等。为去电厂工作的学生动手能力的提高，加强了“电能输送系统运行与维护”方面的内容，包括电力变压器的使用和维护、电厂仿真运行实习、发电厂防雷接地和电力电容器、测量仪表的安装调试和使用。
三、实训教学内容的落实
增加培训场地和设备，根据强化实训的内容，对已有的电工工艺实训室、电能计量实训室、PLC实训室、输电线路工艺实训室进行了评估。根据需要增添了部分实训设备，包括高压隔离开关、气体断路器、电压互感器、电流互感器和测量仪表等。新建了输变电控制实训室，购置了10千伏电气控制系统，包括10千伏输入系统、电力变压器、低压输出系统。在利用学校现有设备的基础上，我们还与一些单位建立了实习基地的关系，组织学生到生产一线进行顶岗培训。加强指导人员队伍建设。选派在理论和实践上都有较深造诣的教师和经验丰富的师傅指导动手能力的培训。教师负责理论和实践的结合，他们的主要任务是让学生不仅会操作，还要让学生弄清楚为什么这样操作。师傅的指导作用是使学生熟练掌握操作技能：包括隔离开关、断路器的拆装检修；防雷接地和无功补偿系统的安装；电力变压器的使用；各种测量仪表的安装与调试；发电厂防雷接地和电力电容器安装等方面提高动手能力，达到熟练的程度。时间安排。专业岗位的训练时间安排采取了如下办法：一是充分利用实习时间。二是利用好最后一个学期的时间，最后一学期把毕业实习和毕业设计与岗位培训结合进行。学生可以搞毕业设计，也可以不搞毕业设计，而进行提高动手能力负面的培训，培训合格并写出半年岗位培训的经验总结即可。三是结合专业提高动手能力组织好第二课堂活动，按不同的专业侧重点，把学生的第二课堂活动分成相对应的小组来进行，这也是提高学生动手能力的好方法。学生动手能力的培训在白天进行，也在早、晚和周六、周日休息时间进行。培训制度。为保证提高学生动手能力培训的质量，制定了严格的管理制定。一是对指导人员的要求，包括人员的选择要求，在培训中的责任，对学生的管理要求。二是对受培训学生的的要求，包括按时参加专业岗位培训，在培训中虚心学习，认真刻苦。培训制度的制定与实施保证了提高学生动手能力的质量。检查。按照培训制度，输变电系对专业岗位培训进行经常性的检查，学院进行不定期的检查。在检查过程中，对认真进行指导和管理的教学人员和学生进行表扬，对教学人员存在的问题及时解决，对不认真学习的学生进行批评教育。对培训中出现的其他问题，及时解决。结果。通过强化的“变电所运行与维护”和“电能输送系统运行与维护”的专业岗位的训练，使经过训练的学生在断路器、隔离开关的拆装检修；各种测量仪表的安装与调试；防雷接地和无功补偿系统的安装与维护；电厂仿真运行实习；电力变压器的使用和维护；测量仪表的安装调试和使用；发电厂防雷接地和电力电容器等方面的实际动手能力有了明显的提高。受提高动手能力培训的学生普遍感到：通过这样的培训，个人在一个方面的实际动手能力强了许多，毕业后在该岗位工作，心里有把握多了，这样的培训好。
1 “任务驱动与学做合一”教学总体目标设计
针对电工技术实训这门课程的特点，对课程任务进行项目化设计，以项目为载体，以任务为导向，将理论与实践相结合，使实训内容贴近工作实际，突出对学生专业技能的训练及职业素质的养成。
电工技术实训设计的项目内容有：低压电气控制实验、测量电路安装实验、基于S7-200PLC和触摸屏的三相异步电动机控制实验、变频调速实验等。比如在实施“基于S7-200PLC和触摸屏的三相异步电动机控制”实验时，该项目包含如下子任务：三相异步电动机正反转原理分析；PLC、触摸屏、断路器、熔断器、电机、热继电器、接触器等硬件如何外接线；工业触摸屏通讯设置；STEP7-MicroWIN V4.0、Wincc flexible 2008 sp4软件学习。这四个子任务打破了原有课程体系的知识点学习和章节安排，将实践技能融合于各工作任务中。学生通过对各任务进行分析，查阅，提出方案，解决问题，实现了“做中学，学中做”，提高了综合应用技能。
2 “任务驱动与学做合一”教学模式实施
以“基于S7-200PLC和触摸屏的三相异步电动机控制”为例，该实训内容是一个比较完整的工程实践项目，在教学过程中，采用“原理分析、元件认知、硬件设计、软件安装、软件编程、实训调试演示、实训答辩、总结及实验报告写作、考核评价”的模式组织教学。
工作任务是学生实训和教学讲授的结合。学生在进入实训室前要完成以下子任务：区分“正-停-反”和“正-反-停”电路在原理上的区别；掌握自锁、按钮联锁（机械）与接触器联锁（电气）电路等设计方法；学习PLC、触摸屏的工作原理、用法及通讯设置；认识熔断器、接触器、按钮等硬件，并掌握其端子外接线方法；学习软件STEP 7、MicroWIN V4.0、wincc flexible 2008 sp4。学生分组在实训室学习软件的安装、变量设置、通讯、编程设计等；设计PLC程序（注意自锁、互锁），设计触摸屏程序（注意变量设置方法）。学生通过两周的时间完成以上子任务之后，进入实训室，在老师的指导下完成接线、编程、调试、演示。在答辩及总结过程中，学生通过实训阐述、小组交流、大组交流的形式进行学习，这样可以掌握不同的设计思路，整体拓宽知识面。
3 “任务驱动与学做合一”教学方法与手段
近年来，淮南师范学院的办学目的是努力为基础教育和区域经济社会发展培养“实基础、强技能、重应用、能创新”的高素质应用型专门人才。因此为培养学生的应用技能，电工技术实训采取以“以工作任务为目标，以行动过程为导向”的教学手段，有效提高学生的学习的积极性，进而提高学习效率。在实训课上用具体的工作任务引领课题，在教学过程中，根据实际情况应用项目教学、小组讨论、情境教学、自主学习等方法完成教学活动。学生在这种方法的教学过程中会产生很多疑问，从而会激发进一步学习的兴趣，并且可以充分培养学生的动手操作能力及获取信息、处理信息的能力。
4 “任务驱动与学做合一”教学评价与考核
实训课程教学评价是培养技术应用型人才的重要教学环节，对课程的实施情况起到导向引领作用。经过两年的项目实践，制定了合理的教学评价体系，包含电气部分接线、梯形图程序设计部分、触摸屏程序设计部分、实验报告质量、答辩环节，每部分也都包含细致的评价标准。实训过程中，教师将大项目分成一个个子任务，在每一个子任务完成后，教师根据评价体系对学生的任务进行评定，并作出相关记录，帮助他们解决任务中需要解决的问题。在完成子任务的过程中，教师可以引导学生对知识点进行梳理，使学生在实践的同时加强专业理论知识的学习。通过教学评价，可以激发学生学习的积极性，也能检验课堂教学质量。
课 题：湖北省教育科学“十二五”规划2012年度立项课题，课题编号：2012B397。
全国大学生电子设计竞赛已成为一个交流办学经验、培养电子专业创新人才、推动教学改革的重要平台，也是人才培养水平、专业办学实力比拼的重要平台。在历年比赛中，笔者学校派出的竞赛小组均取得了优秀成绩，每年都获得湖北省一等奖，特别是在2011年的大赛中一举夺得了高职高专组全国一等奖。笔者作为指导教师，亲历了从组织比赛到大赛结束的整个过程，现将历年以来竞赛指导培训工作的点点滴滴进行分析、整理、总结，供大家参考。
一、组织策略
1.克服困难，统一思想
电子大赛的困难首先在于组织工作非常复杂，第一次参赛往往会感觉无从下手；其次，大赛投入大，一般需要十多万元，学校领导是否支持心中没底；第三，大赛培训任务重、要求高。尤其对指导教师的要求高，教师要达到能指导大赛的水平必须经过自我学习、外界培训的艰苦学习过程。
鉴于此，笔者学校派出四名骨干教师到大赛经验丰富、成绩突出的武汉职业技术学院、黄冈职业技术学院、湖北职业技术学院等兄弟院校学习，了解参赛内容，学习组织经验。特别是了解到黄冈职业学院最初参加大赛时，很多教师甚至都不会应用单片机开发系统，条件非常艰苦，但他们说干就干并且取得了较好成绩，这一点也使笔者学校下定决心，从领导到教师统一思想，上下一心，迅速走入正轨。
2.统筹规划，科学安排
全国电子大赛培训工作是一个系统工程，从第一阶段基础培训到第二阶段综合实训，再到第三阶段实战训练，要循序渐进，参赛队员选拔、教练员分工、项目选取、训练日程编排要科学合理。
一是教师要根据专业发展需要并结合自身特长分配合适的任务，同时要安排青年教师参与培训组织和学习，提升他们的实践能力和双师素质。二是要把大赛期间所需显示驱动模块、直流伺服控制模块、开关电源模块、模数转换模块、功率放大模块的制作列为前期训练项目，在前期训练的同时完成后期大赛所需的功能模块。三是大赛协办单位提供原件、集成芯片、开发系统，这些大赛命题一般会有所涉及，所以训练期间要尽可能选用。四是项目安排要有一定的针对性。全国电子大赛每年的命题基本可以划分为六个类型：电源类、信号源类、放大器类、高频无线电类、仪器仪表、控制类。学校应根据自身实际情况和专业发展方向初步预定未来选题方向，瞄准此方向并作针对性训练。否则面面俱到，没有重点、没有针对性，训练就不会深入，就达不到好的效果。五是学生的训练要有重点。比赛期间，为了保证学生在规定时间内完成比赛的全部任务，一个队三个学生要按“电路设计、程序编制”“电路搭建、电路调试与指标测试”“设计报告的撰写”进行分工协作。三个方面都直接影响大赛的成绩，不可偏废。六是科学编排日程，保证训练效率。大赛训练难度大、强度大、周期长、任务重，要松紧有度、劳逸结合，要一个一个项目有序推进，训练、交流、总结要有机结合，特别是在假期训练期间要安排一定的休息时间，安排一些体育活动，让学生身心得到放松，提高训练效果，切忌打疲劳战。
3.合理选拔，重在培养
学生是比赛的主体，学生的素质、基础、态度是影响比赛成绩的关键因素。教师可以在学生报名、辅导员推荐的基础上，组织理论考试和技能操作考核选拔队员。
第一，将学生的基本功（模电、数电）考查放在首位。电子大赛培训的内容很多都超出学习范围，需要学生进行拓展学习，因此学生的基本功不仅能客观反映学生的素质和功底，同时也是学生能否不断进行拓展学习的基石。第二，在注重学生理论功底的同时，要注重考查学生的动手能力和学生的综合素质，尤其是学生的思维品质和学习习惯非常重要。因为大赛对学生学习能力、实践操作能力、归纳分析能力、交流沟通能力、总结评价能力都有较高要求。第三，注重考查学生吃苦耐劳的精神。很多学生刚开始时兴趣浓厚、热情满怀，随着学习训练难度、强度的增加，部分学生会丧失信心，打退堂鼓。这样的学生不仅自己会放弃，而且会在队员中产生消极影响，从而影响到整个大赛队伍的稳定。因此，教师在选拔队员时，要适度地让学生了解大赛的难度，要充分考查学生的毅力和精神。第四，分阶段逐步挑选。采取 “金字塔”式的末位淘汰，对参加培训学生分阶段进行考核，考核通过者进入下一轮的培训，要根据情况逐步淘汰一部分确实不具备参赛能力的学生。
二、培训方法
1.抓基础
基础是一切创新和实践活动的基石。在基础培训中，笔者学校一手抓元器件的典型应用，一手抓单元电路的模块化设计与制作。
（1）元器件的典型应用。电子元器件是组成实际电路的基本部件，只有熟练掌握了各种元器件的性能及典型应用，才能设计出高质量的实用电路。笔者学校从品类繁多的电子元器件中精选了大赛中常用到的各种元器件，系统地介绍了它们的型号、种类、结构特点、主要参数以及选用方法等实用知识，并让学生对它们的典型应用进行深入学习。
（2）单元电路的模块化制作。如果把元器件比做细胞，那么单元电路就是器官，单元电路的培训采用模块化的方式进行。笔者学校将培训内容分成稳压电源模块、电压放大电路模块、功率放大电路模块、运算比较电路模块、信号发生器模块、脉冲开关电路模块、计数器模块、编码电路模块、定时器模块、传感器电路模块、显示电路模块、控制电路模块等，加以分析和训练。通过对这些典型单元电路模块的逐一分析、设计、制作， 使学生形成相对固定的规范。这种方式的培训使学生掌握了知识并能够灵活应用，保证了比赛中设计作品的质量和制作效率。
2.重实战
要想在比赛中取得理想成绩，学生还必须具备应战自如的能力。为此，笔者学校采用实战模拟教学法，即模拟比赛时的真实状况，例如举办一次模拟大赛。大赛给出真实的电子设计比赛背景，要求学生在规定的时间内，完成某一作品的审题、设计、制作并完成设计制作报告，有时甚至可以给出一些干扰因素，以提高学生在复杂的环境中分析问题、解决问题的能力。动态环境能很好地锻炼学生的综合素质和能力，增强他们的实践经验。
3.加强团队合作
笔者学院特别邀请有丰富一线设计经验的企业工程师加入指导团队，教练组成员相互交流、相互学习。不仅教练组所有成员相互合作，学生们也是如此。电子设计大赛要求三人组成一个队，组员们在顺境中要相互提醒，保持冷静，在逆境中要相互鼓励，共渡难关，出现问题时不能相互埋怨。这样不但提高了设计课题层次和学生的整体设计水平，同时培养了学生的整体观念，增强了学生们的责任心和团队合作精神。
参考文献：
[1]全国大学生电子设计竞赛组织委员会.全国大学生电子设计竞赛章程[EB/OL][2007-08-13].http：//.cn/news.asp？bid=1.
1.引言
服务社会作为世界高等教育的三个职能之一［1］，即是强调教育不仅仅是传授理论知识，更重要的是增强学生对知识的应用能力。大部分大学生毕业后都要走向工作岗位，需要实践环境，进行实际操作和从而获得发现、解决问题的能力，于是在实训中掌握、巩固和加强知识的应用显得非常重要。
为适应以上要求，在电气与可编程控制器课程中，我们尝试进行了以下改革：在暑期，首先选拔出十名具有较强实践动手能力，善于思考的学生组成特训小组，直接由老师指导。在集体学习了控制任务的情况下负责电气与可编程控制器系统的元器件选型，电气接线板、电气接线图、电气原理图、元器件位置图的设计，然后招标购买和定制相应器件，自主完成电气控制柜的安装，接线，并结合回火炉控制系统［2］和C460车床控制系统［3］的控制要求编程、下载、调试，完成电气控制柜的整体设计和实验，反思问题和总结经验，撰写相应报告。学期开始后由这十名特训成员直接带领其他学生小组进行实训，重复以上实训内容，取得了很好的实训结果。
2.当前电气与可编程控制器课程中存在的问题
可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC或PC）是专为适应工业环境的应用而设计的一种数字运算操作电子系统［4］。它采用了可编程存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字量，模拟量的输入输出，控制各种类型的机械工业或生产过程。
经过30多年的发展，PLC自身已十分成熟与完善，尤其在顺序控制、开关量逻辑运算和处理这两方面具有显著优势，而模拟量闭环控制也已成熟，并随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC的结构和速度也得到了飞速发展，所以在工业控制领域中可编程控制器的应用非常广泛，涉及可编程控制器的岗位也是非常丰富的，需要大量能够熟练设计，操作，控制和维护此类工业控制应用设备的人才。对电子类专业而言，电气与可编程控制器是必不可少的课程，然而传统教学存在以下不足：（1）学生实践基础较差，缺乏主动锻炼的乏环境；（2）填鸭式课堂教育对学生吸引力小，常有逃课现象；（3）知识的掌握停留在认识阶段，不能将讲授知识和实际应用客观地联系起来；（4）未能掌握电气常识，导致在传统实验中，停留在“依葫芦画瓢”，老师查线后简单记录数据的被动阶段。这也就削弱了电气与可编程控制器课程的教学效果，不能充分体现其综合性和实用性的教学目的。
3.学生主导、突出工程的一体化实训
这次实训的主体是中山大学南方学院07级电子专业的全体学生，实训的目的是通过以学生为主导，教师为辅的方式，使学生获得从具体控制系统的项目需求分析，设计到电气与可编程控制柜所有元器件的采购、安装、接线，到最后完成控制系统的程序编写、调试和实训报告的全部参与和实践。如图1所示：
3.1控制系统分析
这部分内容的主要目的是让学生了解工业过程中，为适应自动生产、加工而应用广泛的车床、流水线等工艺，并分析它们的控制过程，以掌握其电气原理，完成控制系统的设计。
本次综合实训选择了两个典型控制系统，分别为回火炉控制系统和C460车床控制系统。首先分析了它们的运动结构、电力拖动形式、控制要求、实现原理，不同电机之间的协作关系，然后思考完成相应控制功能需要的数字或模拟输入输出量，对应的驱动形式，以得到所需元器件类型和数量，达到一个定性到定量的分析，最后让学生开始思考其主电路和控制电路原理和组成，所需要的保护、报警、显示等故障保护措施，尝试设计其电气原理图，以达到对系统的全面理解。
3.2电气原理图等的设计
基于对工业控制系统的认识，结合低压电器控制原理和电机控制理论等知识，引导学生进行电气控制系统图的设计。电气控制系统图包括电气原理图、电气元件位置图和电气安装接线图。这也就要求我们首先设计电气原理图，在掌握控制原理的基础上，系统的考虑控制需求、电气安全等从而进行器件选型，然后综合以上知识进行电气接线板的设计，即设计电气元件位置图，并结合所选型号器件的尺寸，获得了电气接线板的制作图纸。步骤如下：
（a）电气原理图的设计：根据控制系统要求，采用标准电气符号和标识，设计符合绘制准则的电气原理图。
（b）器件选型：满足控制系统要求和电气安全的基础上，进行器件选型。首先计算输入输出点数，并考虑适当冗余进行可编程控制器的选型，然后选择交流接触器、电机等器件，并充分考虑功能、尺寸、额定电流、电压等指标。
（c）电气元件位置图和电气接线板的设计：结合电气原理图和所选器件，集中配置电气元件，以求美观，安全和接线方便。
（d）电气安装接线图的设计：针对设计的电气接线板和元件位置图，结合电气原理图，对电源、主电路、控制电路及照明电路等接线进行设计。
（e）电气控制柜的设计：考虑电源的接入、接地等因素，以及移动和学生实验接线的方便等，设计双向可开门，正面为有机玻璃，操作面板直接可视且带滚轮的电气控制柜。
通过以上电气控制系统的设计，学生基本掌握了控制任务和实现方式，对低压电器控制有了很好的了解，同时需要阅读大量可编程控制器的模块资料，以及其他电器的资料，对低压电器目前潮流和实物也有了一定的了解。
3.3器件采购
在选型阶段，我们和学生已经走访了很多次市场，基本了解了低压电器的市场行情，但是为了减少现场采购的压力，我们采用了网上竞标和现场采购两种方式进行，针对像SiemensS7-200PLC这样的标配器件，我们采用了网上竞标方式购买，而螺丝、电线等则采用了现场购买方式，所以这次采购相对比较轻松。
3.4安装和接线
学生以组为单位，每个团队各负责一台电气控制柜的安装和接线。参照电气元件位置图，把大概120台电器或配件安装在电气接线板上，大概是一天时间的工作量。
在进行电气元件接线之前，要求每位同学首先学习电气常识，掌握电气装置的安装注意事项，以及接地与接零的相应知识，然后结合电气元件接线图，进行接线，做到主电路和控制电路尽量避免交叉和平行走线，减少干扰；做好过电压、过电流、漏电保护和接地，等等。
实际动手操作比理论难很多，很多学生都表示，接线是一项非常需要耐心、体力和技巧的劳动，每一个拐角都要折成漂亮的90度角，并且还要掌握每个电器的工作原理和接线方式，以及相互之间的先后顺序和布线技巧。而有些问题一旦没有注意到，很有可能导致短路，轻则烧毁电器，重则危及人身安全，所以需要很强的安全意识。接线的工作量比较大，时间较长，在接线的过程中，同学们可以同时掌握低压电器以及控制工艺。
3.5程序编写与调试
因为实训选用了西门子S7-200CPU和相应模块，所以要求学生利用自己的课余时间进行STEP7编程语法的学习，分别掌握语句表、梯形图和功能块等不同的编程实现方式。考虑到每个小组的具体情况都不尽相同，各有差异，我们首先给学生讲解了四种不同的编程方式：（1）使用起保停电路的编程方式；（2）使用步进梯形指令的编程方式；（3）使用移位寄存器的编程方式；（4）使用置位复位指令的编程方式。然后学生根据自身的知识特点和兴趣爱好，选用不同的编程方式。接着从最简单的一个按钮控制一个灯开始学习编写程序，渐渐地加入自锁、互锁、计时器、计数器、顺序控制等控制功能。当对STEP7编程熟悉之后，开始让学生思考回火炉和C460车床控制系统的地址分配、控制要求及实现逻辑。
由于在校大学生基本不具备继电器控制的设计经验，因此经验设计法不适合，我们提倡学生使用逻辑设计法。而为了增强逻辑性，便于理解和编程实现控制功能，我们引导学生思考如何将一个复杂的控制系统分成几个相对独立的子任务，分别对各子任务进行编程，最后将子任务的程序合理的连接起来，从而能够帮助同学们清晰的认识到各个控制子任务及相互之间的逻辑关系。
同时为了增强安全和可靠性，程序的编写要充分考虑手动和自动方式，遇有紧急故障，可及时手动停止。程序在下载到CPU之前，需要不断的修改和仿真。比如把程序导出后下载到仿真软件S7-200sim2.0中，进行反复仿真和调试，直到不仅能够满足控制要求，而且具备一定的鲁棒性、预防突发故障和紧急停车等性能为止。
3.6联机调试和编写实训总结报告
虽然在仿真软件中已经反复进行过调试，但并不代表程序一定能够满足控制要求，联机调试是必备步骤。在联机调试之前，需要制定周密、详尽的调试计划，充分考虑工业加工环境可能遇到的干扰和突发事件，不能盲目调试而忽略安全隐患。
通过联机调试之后，让程序连续运行一段时间，以确保程序的正常运行。
做到这一步，电气与可编程控制器实训已接近尾声，凝聚了众多的汗水和精力展现给我们的是一整的电气控制柜，内含满足回火炉和C460车床控制系统实现的软硬件。但是为了让学生回顾实训内容、总结实训经验和提升自己的专业知识，要求每个组以实训总结报告的形式编写技术文件，包含实训目的、平台、内容、步骤、结果和心得等六部分。
4.结语
电气与可编程控制器课程的综合性、实用性和应用广泛性，使得它与其他课程不同，仅仅靠理论学习，没有实践锻炼，将使得对知识的掌握缺少直观性、系统性、实践性和综合性。为了系统培养学生对控制系统、低压电器、电气常识、PLC、编程和调试等的认识，开展PLC综合实训课程是十分必要的，同时也能让大学生提前认识到工作所需要的汗水、耐心、责任、创造性思维和团队合作精神，提高综合素质。
参考文献：
［1］傅树京.高等教育学［M］.首都师范大学出版社，2007.
［2］李彪.回火炉燃烧控制系统［J］.自动化与仪器仪表，2009，（5）：113-114.
中图分类号：TM411+.4 文献标识码：A 文章编号：
在变电站综合自动化培训教学中，学员要熟悉变压器、线路、电容器等设备的保护装置、测控装置、保护测控装置及各种自动控制装置。若在每个具体装置中都全面介绍装置的结构和工作原理，不但重复太多，浪费时间，而且也不容易全面深人地介绍清楚，且不利于学员理解掌握。因此在培训中，都要对各种装置的共性部分进行统一介绍，即介绍装置的基本结构、原理与接线。下面就装置部分教学培训工作进行总结，与大家分享。
一、装置的典型硬件结构 装置部分教学培训中，首先要把装置的典型硬件结构弄清楚。成套的综合自动化系统中微机保护系统、监控系统、自动控制系统等装置都是由若干模块组成的，它们的硬件结构都是大同小异，所不同的是软件及硬件模块化的组合与数量不同。一个变电站综合自动化系统中各种子系统的典型硬件结构主要包括模拟量输人/输出回路、开关量输人/输出回路、微机系统、人机对话接口回路、通信回路和电源。
装置采用统一硬件平台，变电站综合自动化装置硬件采用整体面板、国际标准机箱。装置强弱电彻底分离，CPU板采用印刷板、表面装贴技术，提高了装置的可靠性。装置采用统一数据库处理，在设计装置功能模块时提炼不同功能应用信息的共性，建立一个统一的应用功能数据机构模块，包含每种功能所需的一切信息，形成功能程序的统一的开发平台，降低了功能模块程序开发的难度，提高了功能模块程序的可靠性。
二、模拟量的输入/输出回路 1.模拟量的输入电路。变电站综合自动化系统采集的一次设备的电流、电压、有功功率、无功功率、温度等都是属于模拟量，由于微机只能识别数字量，故模拟信号必须转换成数字信号才能输人到微机中进行处理。
2模拟量输出电路。培训中简要说明模拟量输出电路的组成、数/模(D/A)转换器工作原理。
三、开关量输入及输出电路
开关量输人、输出电路是非常重要的教学内容。学员只有明白了断路器、变压器分接头的位置状态是如何被采集和输出后才能更好地工作。
1.开关量输入电路
开关量输入电路的基本功能就是将变电站内需要的状态信号引人微机系统，如断路器状态、继电保护信号等。开关量输人电路由消抖滤波电路、信号调节电路、控制逻辑电路、驱动电路、地址译码电路、隔离电路等组成。
2开关量输出回路
开关量输出电路主要是将CPU送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节，如断路器跳闸命令和屏幕显示、报警信号等。开关量输出电路与输人电路基本一样。简单的开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等，一般都采用并行接口的输出来控制有触点继电器(干簧或密封小中间继电器)的方法，但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离。
四、微型机系统和变电站综合自动化算法
微型机系统的CPU是由一片大规模集成电路芯片制成，不仅能进行算法逻辑运算，还能执行各种控制功能。配备一定容量的存储器、输人/输出设备的接口电路及系统总线。计算机监控系统都应具有数据采集和输出控制部分，这两个部分构成了基本测控单元的主要内容。数字信号处理器(DSP)是一种经过优化后用于处理实时信号的微控制器。
在变电站综合自动化系统中，计算机对采样值进行分析、计算得到所需的电流、电压的有效值和相位以及有功功率、无功功率等量，或者算出它们的序分量，或者线路和元件的视在阻抗，或者某次谐波的大小和相位等，并根据这些参数的计算结果以及定值，通过比较判断决定装置的动作行为，而完成上述分析计算和比较判断以实现各种预期功能的方法就称为变电站综合自动化系统算法。其主要任务是如何从包含有噪声分量的输入信号中快速、准确地计算出所需的各种电气量参数。培训中要说明研究算法的目的主要是提高运算的精确度和提高运算的速度。算法的运算速度将影响自动化装置检测量的检测和自动化装置的动作速度。变电站综合自动化系统中保护和监控对算法有不同要求。
五、人机对话、通信和电源插件
1.人机对话
主要介绍人机对话微型机系统的硬件原理、键盘响应电路、屏幕(液晶)显示电路、打印机的接口电路、多机通信和巡检开关、人机对话插件等。重点讲清人机界面操作和命令菜单使用说明。
2.通信插件
通信插件承担着装置的管理和通信任务，是承接装置与夕卜界通信及交换信息的管理插件，如与面板、PC调试软件、监控后台、工程师站、远动、打印机等的联系，根据保护的配置组织上送遥测、遥信、SOE、事件报文和录波信息等。
3.电源插件
每个装置均有一个独立的开关电源，向其他插件供电，此开关电源与插件面板构成电源插件(又叫电源模件)。培训中要重点说明输出电压的作用。输出电压十SV为CPU及其芯片提供工作电源;15V为模拟输人回路运放提供工作电源;+24V为开出、开人回路提供电源。 六、操作回路 培训中分两个方面介绍操作回路。一是介绍断路器操作回路的原理框图，让学员明白操作回路的基本原理;二是让学员看懂实际的操作回路。 1断路器操作回路的原理
首先介绍断路器操作回路总体上分为合闸回路和跳闸回路两大部分，介绍合闸回路和跳闸回路的工作过程。手动操作时可选择遥控操作或就地操作。当就地/遥控选择开关打至遥控”位置时在后台机上手动遥控操作;当就地/遥控选择开关打至“就地”位置时工作人员在装置上就地操作断路器。然后介绍自动操作时保护接点通过连接压板直接接人控制电源进行断路器操作，并介绍防跳回路的作用和原理。最后介绍位置信号、控制回路断线和事故信号。
2.断路器操作回路实例
断路器操作回路的原理框图与实际操作回路还有一些距离，为了学员更好地工作，还需要讲解断路器实例操作回路，如南瑞继保电气有限公司RSC-941A型装置操作回路和南自IOKV线路保护测控柜断路器操作回路。
七、测控装置
《电工技术》是一门工科的基础课程，在工科各专业中具有十分重要的地位。如果不能很好地掌握《电工技术》这门课程，那么相关专业课程的学习就变得比较困难。经过几年的实践教学工作，本人总结出一套行之有效的教学方法，主要从以下两个方面进行：
一、 与素质教育，实训操作相结合的课堂教学
学生要有扎实的理论基础，才能更好地掌握高新技术，而扎实的理论基础不仅仅只从书本上学到，更重要的是通过实践来获得。因此，我改变了以往教师在课堂讲，学生听的传统教学模式，而是将课堂教学搬进了实训室。如电子器件识别这部分，尽管电阻、电容、电感都是最普通、最常用的电子元件，但对于没见过、没用过这些元器件的学生来说，课堂上的理论教学只能是纸上谈兵，学生很难有感性认识，很难想象出真正的元器件是怎样的。即使给学生讲过以后，他们见到这些元器件实物，仍不知该怎样识别和区别，尤其是色环电阻和色环电感这种外观比较相近的元器件。我们把这些内容放到实训室里对照实物进行讲解，让学生边听边识别，并用仪器测量，这样学生既容易地识别元器件，也学会了万用表、直流稳压电源、示波器等仪器、仪表的使用，对所测量的元器件留下极深刻的印象，同时也真正理解了
“标称值”、“实际值”、“误差”的名词的含义。
既要调动学生学习的积极性，又要将各种能力的培养贯穿课堂教学中，这是职业教育的需要。在课堂上，我把全班学生分成若干个讨论小组，每四至五人为一组，对有代表性的问题以小组为单位进行讨论。讨论后，以小组为单位轮流回答老师的问题。从而达到有目的、有计划的培养学生的分析问题能力、表达能力和协作能力。鼓励学生大胆的提出问题，对有分歧的地方有老师进行引导、补正。经过这样的讨论，学生的分析能力和表达能力都得到了提高；同时，协作能力也大大地增加了。对所学的知识不但加深了理解，而且也留下了深刻的记忆。
能够将所学过的知识综合起来应用于工作和学习中，是所有学生所须具备的能力。在课堂上，我将《电工技术》的学习与其他课程尽可能地结合在一起，比如：学生画电路图时，我们不提倡手画，而是要求学生用PROTEL软件进行电路图操作，以提高学生的计算机使用能力。又如：在讲仪器设备的使用时我就结合仪器面板上的英文，以提示的方式引导学生自己去分析仪器设备上的每一个按键、每一个旋钮的功能，再由教师进行详细的讲解及演示，然后学生动手操作并提出问题，经过教师引导，学生讨论，最后得出结论，从而为他们今后独立使用新的仪器设备奠定了基础。
这种以教师为主导，以学生为主体，以能力培养为中心的教学方式，实现了教、学、做相结合的引探教学法。这种教学方法充分调动了学生的学习积极性。
二、 培养学生适应工作岗位的实训教学
课堂教学在实训室中进行并不意味着实训教学的任务就完成了。学生还要对职业岗位的基本技能准确操作，以适应职业岗位的要求。同时，还需了解市场。如提高功率因数这部分内容，我们要求学生在实训室中动手接一个日光灯电路，并以日光灯这个感性负载电路为例，观察并联电容后功率因数的变化，再让学生到电子市场去实地考察各种规格、各种容量电容的价格以及提高功率因数的意义，这样他们对提高功率因数的理解就比较深刻了。
在实训室中，我们还要求学生拆装小发电机，自制小型变压器及缠绕电感线圈。并鼓励他们将这些自制的产品应用到自己的课程设计中去，如自制无线话筒等。经过这样的学习和训练，学生们很容易将理论与实践结合起来，并自觉地通过实践补充自己的知识欠缺点，将所学的知识提到一个新的高度。
对学生来说，仅在实训室里接一些电路还远远不够。他们还需要一个模拟的职业岗位环境。不同专业的学生对模拟岗位环境的要求不同。我校建立了自己的工业中心、计算机中心等。工业中心设有岗位培训中心、技能鉴定中心，电工技能实训车间，安全教育室，低压配电车间，电机拖动实训室等。根据不同专业学生进行不同的训练。
如在安全教育室里，除了对学生们进行用电安全教育外，我们还要求每个学生对模拟人进行触电急救，并要求学生将模拟人救活。这种训练摆脱了枯燥的讲解，学生们看着自己救活的模拟人，便会产生成就感。经过这样的训练，学生不仅懂得了安全用电的常识，也学会了现场触电急救的方法。
总之，通过理论和实践的教学，使学生通过实训操作掌握电工基础课程的内容，并且能使学生举一反三学习和课程相关的知识，为今后进入工作岗位奠定良好的理论和实践基础。
作者简介：张长营（1968-），男，江苏宿迁人，江苏省电力公司职业技能训练基地，高级工程师；王晓红（1969-），女，江苏宿迁人，江苏省电力公司职业技能训练基地综合管理部，助理工程师。（江苏 连云港 222069）
中图分类号：TM74 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0206-02
按照国家电网公司智能电网建设的总体要求，电力用户用电信息采集系统的建设要实现“全覆盖、全采集、全费控”的总体目标，为了保证这一目标的实现，国家电网公司于2009年制定了智能电表和用电信息采集系统建设的技术规范，规范明确了系统建设的总体技术框架和技术指标，同时给出了系统建设的技术路线图。随着国家电网公司对用电信息采集系统的全面推广，用电信息采集系统的建设步伐越来越快，未来五年内即可实现用电信息采集系统建设的“全覆盖、全采集”目标。
目前，随着系统建设的持续开展，全国各地大量的电能量数据采集终端设备陆续投入运行，用电信息采集系统的设备运行、维护工作也被提上议事日程。现阶段大部分对系统的运行和维护工作皆由电能计量人员完成，由于用电信息采集系统所涉及的设备多、技术复杂，运维工作量大，与传统的电能计量装置运维工作迥然不同，对运维人员的技术技能水平都有着很高的要求，所以参与系统运维工作的人员亟需通过培训来提高自身的技能水平以满足现场工作的需要，而现场真实的用电信息采集系统由于工作和安全条件所限，不能对技术人员进行在线培训。用电信息采集模拟实训系统可以通过模拟现场设备的运行工况，最大限度地满足用电信息采集人员的技能培训需求，提高其业务技能和工作效率，从而加快电力营销信息化建设的进程。
一、实训系统构建的基本思想和建设目标
用电信息采集模拟实训系统的建设框架是按照电力企业关于电能计量系统和用电信息采集系统建设的最新规范标准设计，应用先进的信息和通信技术，依据国家电网最新行业标准，采用分层、分布、开放型结构构造理念兼平台一体化设计思想，最大程度模拟现场实际情况，并结合培训教学的实际需要进行构建。构建的模拟实训系统不仅涵盖配电和用电中电能计量设备的实际应用，而且涵盖主站系统的数据采集、网上售电和线损管理等众多功能模拟。实训系统建设的目标是培训学员掌握电力系统用电信息计量设备、采集设备的安装使用及常见故障处理；掌握电能计量系统常用工具的使用、整个系统工作流程；掌握主站采集系统、线损管理系统和网上售电系统的应用。通过本实训系统的培训，学员能够掌握电力系统中电能计量的全面知识和熟练使用用电信息采集系统，走向工作岗位后可实现技术技能无缝衔接。
二、实训系统构建的基本原则
用电信息采集模拟实训系统将模拟现场的安装运行环境，满足专变大用户信息采集仿真模拟系统、公用配变监测仿真模拟系统、集中抄表仿真模拟系统、用电信息采集实训系统等，同时可实现采集系统运行过程管理的演示功能。系统构建原则如下：
1.先进性和可靠性相结合原则
实训系统设计时采用国内最先进的信息和通信技术，依据最新的国家电网建设标准，并且从结构、技术措施、设备选型、设备性能、设备容错、系统管理、厂商技术支持及维修能力等方面着手，确保项目运行的可靠性和稳定性，达到最大的平均无故障时间，使每个故障点对整个系统的影响尽可能的小，并提供快速的故障恢复手段以及资料备份手段，以保证资料的安全和系统的正常运行。
2.开放性和扩展性相结合的原则
实训系统在遵循统一的国际标准和工业标准的前提下，采用标准的软件平台和系统、计算机设备，采用规范的网络结构，并遵守相关的接口标准。坚持标准化原则，选择符合开放性和国际标准化的产品和技术；系统的设计在软件上采用模块化设计，以确保系统扩展应用时具备灵活性、可靠性，不影响系统核心业务执行。
3.兼容性和安全性相结合的原则
实训系统建设充分考虑兼容性，具备灵活、规范的数据接口，可兼容符合统一标准的系统和终端表计产品，还可兼容现场正在运行的其他非国网标准的协议，确保数据信息的共享和统一管理。采用切实有效的安全手段，分层次、全方位保证系统信息传输的安全。
4.完整性和灵活性相结合的原则
实训系统设计时严格按照“全覆盖、全采集”原则，从系统模块功能到产品覆盖面，涵盖所有需要计量和采集的场合，保证了系统的完整性。系统具备灵活性，如系统扩展、产品更新时，不影响系统本身的正常运行，可完全保证用电信息采集的实时性和完整性。
5.虚拟性和仿真性相结合的原则
实训系统设计时严格按照现场培训教学实际情况，最大程度模拟系统应用现场的运行工况，最大限度调动学员的学习积极性，引导学员积极进行系统及终端表计的研究和学习。
三、实训系统的基本构成及其功能
用电信息采集模拟实训系统总体包含专变大用户用电信息采集模拟子系统、公用配变模拟子系统及集中抄表模拟子系统、用电信息采集实训主控软件。
1.用电信息采集专变大用户终端模拟实训系统构成及其功能
用电信息采集专变大用户模拟实训装置采用台体式机柜设计，由2台专变大用户模拟柜组成，模拟不同计量方式专变用户，包括高供低计三相四线用户（3×220V）、高供高计三相三线（3×100V）用户，系统通过加载智能模拟电源，给专变采集终端和三相智能电能表提供模拟负荷，通过隔离互感器到表尾，通过仿真智能电能表模拟总分表关系，正面两块表中1块仿真表，1块真实表，两块表为并列关系，背面两块表为前面1块表的分表。
专变大用户模拟部分：智能电能表与专变采集终端通过485方式进行通讯，专变采集终端通过以太网、230MHz方式实现数据上传到主站系统。
加载系统：包括虚负荷电压电流源、电压互感器、电流互感器、加载控制系统等。加载系统控制通过主控计算机控制实现。
负荷控制模拟部分：通过模拟高低压出线柜控制开关，去掉原来继电器模拟方式，采用交流接触器模拟合闸、分闸控制及状态，接触器通过12V低电压控制，合闸、分闸按钮及状态指示灯采用与真实开关柜一样的外形，其中一路负荷控制输出通过交流接触器接入室内后面控制，控制空调的电源。
故障模拟部分：每块电能表都可以通过计算机设置电能表交采回路的故障，表计故障模拟部分可以实现计量回路常见的电压错线序（abc，bac，acb）、电流错接相（abc，cba）电压断线（断A、断B、断C）、电流开路、电流短路、电流极性反接等常见故障。可以模拟表计与终端485通讯故障（包括断A，断B，A、B互换），可以模拟三相仿真智能电能表内部计量故障，包括电压、电流采集与显示故障。在故障设置中可通过调节电压输出模拟低电压供电通信不可靠故障。
1号专变柜柜体第一、第二表位配置为三相三线，其中一块为三相三线智能电表，另一块为三相三线仿真智能电表，三相智能仿真电表可以通过计算机对表内部的各种参数进行设置读取。这两块表计为并列关系，共用一个联合接线盒，背面两块配置为三相四线智能电表。
2号专变柜柜体第一、第二表位配置为三相四线，其中一块为三相四线智能电表，另一块为三相四线仿真智能电表，三相智能仿真电表可以通过计算机对表内部的各种参数进行设置读取。这两块表计为并列关系，共用一个联合接线盒，背面两块配置为三相四线智能电表。
柜体将负荷控制管理终端和正面两块电能表作为总表，背面两块三相四线电能表作为分表，通过回路遥控可以控制各个分表的电流，分表电流变化，总表与负荷控制管理终端会进行相应的减少，柜体用第一回路控制制背面的第一块电能表，第二回路控制背面的第二块电能表，第三回路为预留，第四回路可以通过引接线引接控制实训时空调用电。
实训装置可以通过软件在短时间内模拟用户一天的负荷曲线，负荷曲线图可以手动绘制，也可以通过软件随机产生，软件设置完成后会按照所设置的负荷曲线控制虚负荷电源的电流。
2.用电信息采集公配变终端模拟实训系统构成及其功能
用电信息采集公配变模拟实训装置采用台体式机柜设计，由2台公配变模拟柜组成，模拟不同计量方式公配变用户，包括三相四线（3×220V）、单相散户（220V）模拟，系统通过加载智能模拟电源，给公配变采集终端和三相智能电能表提供模拟负荷，通过隔离互感器连接到表尾。
公变模拟部分：智能电能表与II型采集器通过485方式进行通讯，II型采集器与集中器通过载波方式通讯，集中器通过以太网（光纤）方式实现数据上传到主站系统。
加载系统和故障模拟部分同专变大用户终端模拟实训系统。
在模拟电源中加入谐波输出功能，谐波数据可以通过软件设置故障的方式输出，模拟载波抄表时的谐波干扰，软件中最多可以设置19次谐波电压或者电流谐波，一户一表用户多配置1块采集器，模拟故障采集器运行，可进行比对。
实训装置可以通过软件在短时间内模拟用户一天的负荷曲线，负荷曲线图可以手动绘制，也能通过软件随机产生，软件设置完成后会按照所设置的负荷曲线控制虚负荷电源的电流。
3.用电信息采集低压集抄终端模拟实训系统构成及其功能
用电信息采集公配变模拟实训装置采用台体式机柜设计，由1台低压集抄模拟柜组成，模拟低压用户，包括三相四线（3×220V）用户模拟、单相（220V）用户模拟，系统通过加载智能模拟电源，给集中器和三相智能电能表、单相智能表提供模拟负荷，通过隔离互感器连接到表尾。
低压集抄用户模拟部分：智能电能表与采集器通过485方式进行通讯，集中器通过以太网（光纤）方式实现数据上传到主站系统。
加载系统和故障模拟部分同专变大用户终端模拟实训系统。
柜体中挂接一个II型集中器，此集中器通过RS485抄取其他表位的电能表数据，II型集中器通过以太网通讯方式将数据上传服务器。
实训装置可以通过软件在短时间内模拟用户一天的负荷曲线，负荷曲线图可以手动绘制，也能通过软件随机产生，软件设置完成后会按照所设置的负荷曲线控制虚负荷电源的电流。
4.系统实训软件构成及其功能
（1）模拟虚拟负荷。实训系统通过PC主机控制虚拟负荷功率源的启动与停止，产生各种工况下所需的电压、电流，用于电能表及采集终端、集中器、采集器使用，实现电能表的正常走字运行，保持与真实计量现场的一致性。
（2）培训管理。
1）学员管理。可以提供学员信息的增加、删除、修改、职称分类等功能。
2）题库的管理。可以支持题库的更新维护并能够按照试题类型进行检索来创建考试电子试卷。
3）在线理论考试。可以随机抽取各类型试题形成试卷并提供考生在线答题，考生提交后根据答案自动生成考试分数。
4）理论成绩查询。可以支持考生成绩存储、在线查询。
（3）系统管理。
1）通信管理。实现终端接入管理和终端实时在线的链路保持，并提供实训软件操作接口管理。采取系统应用层与通信层交互的通信信道配置。
2）系统接入设置。要提供与上级采集测试主站系统接入设置功能，包括系统位置、接入方式、数据交换配置等设置功能。可监测与测试主站系统的接入情况。
3）参数、数据库、故障库管理。
参数管理：对通讯参数、终端基本参数、控制参数、无功投切参数设置、存储参数等修改，进行模板设置等管理。
数据库管理：提供数据库修改单，可针对性地对数据进行EXCEL导出、修改、EXCEL导入。
故障库管理：添加新的故障组合（系统设置的所有故障进行选择组合）、删除旧有故障组合、修改原有故障组合。在模拟故障时，只需调用故障库中的故障类型，便可触发故障模拟。
4）系统用户管理与权限配置。能够自定义用户角色、操作权限。
5）操作日志管理。要存储操作日志并能够通过时间段查询。
中图分类号： TN911?34； V267.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0098?03
Data acquisition and control of aviation training simulator based on ADAM module
GUO Long1， CHEN Hong1， LI Jin?jie1， GU Kun?peng2
（1. Qingdao Branch， Naval Aeronautical Engineering Academy， Qingdao 266071， China； 2. Naval Unit 91467 of PLA， Jiaozhou 266311， China）
Abstract： To meet the high requirements of the aviation training simulator for operation control， signal acquisition and real?time interaction， a data acquisition and control of the aviation training simulator based on ADAM module is presented. RS?485 bus and was used in the design of the master?slave control system with ADAM4000 series as distributed I/O module. According to the Advantech ADAM4K protocol， the C# modularized structure was used in the design of semiduplex communication mechanism. The data acquisition and control structure can implement real?time acquisition in simulation real equipment state， and meet the reliable control requirements of each interaction device in simulation cabin. The framework has been put into application successfully， and satisfied effects were obtained.
Keywords： data acquisition； ADAM module； aviation training simulator； RS 485 bus
0 引 言
当前部队航空装备快速更新换代，各培训院校出现实装短缺、训练手段受限的问题。以计算机系统为核心，综合应用仿真技术、测控技术，构建功能强大的训练模拟器有望成为有效的解决方案。这类训练模拟器不是完全虚拟的训练系统，而是半实物的仿真训练模拟器[1?4]，其具备与实装一致的操作和显示功能，并扩展实装不具备的特情设置、故障设置、训练评估等功能，从而既能做常规维护操作训练，又能进行各种突况训练，能够大大增强目前航空装备教学训练手段。
半实物训练模拟器实现的一个难点是仿真实装的信息采集与控制，即感知受训人员的操作，控制训练模拟器做出相应的响应；同时实时采集训练模拟器的状态变化，改变训练模拟器的显示输出。本文以研华公司的ADAM4000系列[5?7]分布式I/O模块为基本单元，构建航空训练模拟器的数据采集与控制网络，较好地解决了上述难题，并具有可靠性高，实时性好，抗干扰能力强等优点。
1 硬件构成
该航空训练模拟器的数据采集与控制采用RS 485串行异步半双工通信协议，将多个远程I/O模块并联在一个总线下，以工业控制计算机作为主机实现主从式的远程数据采集控制，其硬件组成包括：1台工业控制计算机、1块ADAM4520模块（RS 232?RS 485有源转换模块）、1块ADAM4012模块（模拟量输入模块）、1块ADAM4021模块（模拟量输出模块）、3块ADAM4050模块（数字量输入）、1块ADAM4060模块（数字量输出）以及RS 232和RS 485通信电缆各1条，如图1所示。
工业控制计算机：作为训练模拟器的控制主机，通过COM1（RS 232）口与ADAM4051连接，完成对各数据采集模块的实时通信，能实时监听训练模拟器各人机交互设备状态变化，从而及时响应训练人员的操作，同时改变训练模拟器座舱面板指示和显示器画面。
图1 数据采集与控制硬件构成
ADAM4051：RS 232转RS 422/485转换器，与工控机的串口COM1连接，将计算机串口的标准RS 232总线信号转换为完全隔离的RS 485通信总线。ADAM4051可自动控制RS 485总线的方向，而不需要主机发出握手信号，从而使得主机上可以通用RS 232接口编写通信代码，大大提高编程效率。
{
While（SendBuf.length ！= 0） //若发送队列不为空
{
if（SendBuf [0].Type == ‘D’） //数字量输出
adamCom.DigitalOutput（SendBuf[0].Addr）.SetValue（SendBuf[0].iCh， SendBuf[0].Value）；
else //模拟量输出
adamCom.AnalogOutput（SendBuf[0].Addr）.SetValue（Send
Buf[0].iCh， SendBuf[0].Value））；
SendBuf.RemoveAt（0）； //清除发送队列中第一条数据
}
}
private void timer1_Tick（object sender， System.EventArgs e） //定时函数
{
… …
RefreshOutput （）； //不断循环将发送队列中的数据发出
}
2.2 软件运行流程
软件的运行流程如图3所示。程序开始后，进入循环监听状态，通过COM1串口与各ADAM4000系统模块实时通信；若检测到某一采集点输入发生变化（受训人员进行了相关操作，如加电、发射等），则调用对应的操作响应函数改变训练模拟器的运行状态，同时通过输出控制模块和显示模块将响应结果反馈给受训人员。
图3 软件运行流程图
3 结 语
该数据采集与控制软硬件结构已应用于某型机载电子设备训练模拟器的设计开发中，并取得了良好的效果。基于ADAM模块的航空训练模拟器数据采集与控制设计，在简化硬件电路的同时，提高了系统的稳定性和通用性。基于C#开发的模块化软件结构设计简单、结构合理，可以满足其他各型航空训练模拟器的应用需求，具有一定的推广应用价值。
参考文献
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