高职电气自动化技术专业毕业综合实训教学设计

高职电气自动化技术专业毕业综合实训教学设计

一、课程定位与教学目标

（一）课程性质与地位

本课程是高职电气自动化技术专业的一门核心综合实践课程，【非常重要】通常开设于第五或第六学期，是学生完成全部理论教学和专项实训后，进入顶岗实习前的最后一个综合性教学环节。其核心任务是整合前序课程，如电机与拖动、工厂供电、可编程控制器技术、传感器与检测技术、电力电子技术、自动控制原理等，通过一个完整的、贴近工程实际的大型项目，全面检验和提升学生的综合职业能力。课程如同知识与技能的总枢纽，将分散的知识点串联成线、编织成网，最终转化为解决实际电气工程问题的“毕生技艺”。

（二）教学目标设计

依据高等职业教育人才培养目标和电气自动化技术专业教学标准，本课程旨在达成以下三维教学目标：

1.知识维度【重要】

（1）深化理解常用低压电器的结构、原理、选型方法及应用场合。

（2）系统掌握继电器-接触器控制系统的设计原则、电路分析与故障排除方法。

（3）熟练掌握至少一种主流品牌可编程控制器（如西门子S7-1200/1500、三菱FX系列等）的硬件组态、指令系统（特别是基础逻辑指令、定时器/计数器指令、功能指令）、程序设计方法（线性化、模块化、结构化编程）以及常用通信协议的配置与应用（如PROFINET、MODBUSTCP/IP）。

（4）巩固变频调速技术与软启动器的原理、参数设置、操作面板使用及外围电路设计。

（5）掌握常用传感器（如光电、接近、压力、温度传感器）的选型、安装与信号处理。

（6）理解简单电气控制系统的设计流程，包括电气原理图、电气布置图、电气接线图的设计规范。

（7）了解工业网络通信、人机界面（HMI）的初步设计与组态，以及简单过程控制系统的构建方法。

2.能力维度【核心】

（1）能够综合运用所学知识，针对典型生产机械或工艺过程，独立或协作完成一套中等复杂程度的电气控制系统的方案设计。

（2）具备根据设计要求，正确查阅技术资料、选型手册，合理选用电气元器件的能力【高频考点】。

（3）熟练掌握使用电气CAD软件（如EPLAN、AutoCADElectrical）绘制规范电气图纸的技能。

（4）能够熟练完成控制柜内元器件的安装、布线、接线，并符合电气安全规范与工艺标准。

（5）熟练掌握PLC编程软件的使用，能够根据控制要求，设计出结构清晰、可读性强、运行可靠的用户程序，并完成离线仿真与在线调试【高频考点】。

（6）能够正确使用万用表、示波器、钳形电流表等常用电工仪表，对控制系统进行检测、调试和故障排查。

（7）能够编写条理清晰、内容完整的技术文档，包括设计说明书、操作手册、调试报告等。

（8）培养基本的团队协作、沟通表达、项目管理和安全文明生产的能力。

3.素质维度【基础】

（1）培养严谨求实、一丝不苟的科学态度和精益求精的工匠精神。

（2）强化安全意识和环保意识，养成严格遵守电气安全操作规程的职业习惯。

（3）树立理论联系实际、在实践中发现问题、分析问题和解决问题的工程观。

（4）增强劳动观念，培养吃苦耐劳、勇于创新的意志品质。

（5）提升查阅标准、阅读外文资料、自主学习新知识、新技术的能力，为终身学习和职业发展奠定基础。

二、教学内容设计与项目载体

（一）教学项目选取【非常重要】

摒弃传统的按知识点编排的实验或课程设计模式，本课程采用“工程项目引领、任务驱动”的教学模式。选取一个具有综合性、典型性和适度挑战性的真实项目作为教学载体。本项目拟定为：“基于PLC与变频器的物料分拣与搬运控制系统设计与调试”。该项目涵盖了开关量控制、模拟量处理、运动控制、通信及HMI等多方面技术，能够全面覆盖电气工程毕业生的核心技艺。

（二）项目描述

某自动化生产线需要对三种不同材质（金属、非金属）、不同颜色（如红、蓝）的物料进行自动识别与分拣，并将分拣后的物料搬运至指定仓储位置。系统需由以下部分组成：皮带输送机、电感式传感器（识别金属）、光电式传感器（识别颜色）、电容式传感器（识别非金属）、气动推杆分拣机构、步进电机驱动的三轴搬运机械手、以及一套完整的电控系统。控制核心采用西门子S7-1200PLC，通过PROFINET网络连接分布式I/O、变频器（控制输送带电机）和HMI（人机界面）。

（三）教学内容模块化分解【应列尽罗】

根据项目开发流程，将教学内容分解为以下五个既相互独立又紧密联系的模块：

1.模块一：系统方案设计与电气图纸绘制【重要】

（1）分析控制任务书，明确系统输入/输出信号种类与数量（数字量输入：按钮、传感器信号、限位开关；数字量输出：接触器、电磁阀、指示灯；模拟量输入：如有，用于称重或位置反馈）。

（2）进行PLC、HMI、变频器及主要元器件的选型与参数计算【难点】。

（3）绘制电气控制系统框图。

（4）使用EPLAN软件绘制主电路图、PLC外部接线图、控制电路图、端子排图、柜内元件布置图及电缆清册。要求图纸符合国家标准（如GB/T4728系列）和企业规范。

2.模块二：控制柜装配与接线工艺【核心技能】

（1）依据图纸，在网孔板上安装导轨、断路器、接触器、继电器、PLC、变频器、开关电源、端子排等元器件。

（2）进行柜内布线，要求线号管标识清晰、走线横平竖直、分类捆扎、美观牢靠，强弱电分离。

（3）进行柜外设备（传感器、执行器、操作面板）的接线，并做好防水、防尘、防拉扯处理。

（4）进行绝缘测试和通电前的安全检查。

3.模块三：PLC控制系统软件设计【核心】

（1）定义PLC的I/O地址分配和符号表。

（2）在TIAPortal（博途）软件中进行硬件组态，包括PLC、信号模块、变频器（通过PROFINET）、HMI的添加与网络配置。

（3）程序结构设计。采用模块化编程思想，创建组织块OB1（主程序），并根据功能创建函数块FB/FC，如：输送带控制FB、分拣逻辑FC、机械手控制FB、报警处理FC等。背景数据块DB用于存储FB的实例数据。

（4）编写具体控制程序【高频考点】：

[1]系统初始化程序：设置初始状态，复位所有执行机构。

[2]输送带启停与变频调速程序：通过HMI设定频率，PLC输出模拟量或通过PROFINET通信控制变频器，实现多段速或无极调速。程序需包含正反转、急停、过载保护等逻辑。

[3]物料检测与分拣程序：传感器信号输入后，程序内部进行逻辑判断，决定物料属性。根据判断结果，在物料到达相应分拣位置时，驱动对应气缸电磁阀动作，将物料推入不同料槽。此部分需考虑信号的同步与防抖处理。

[4]三轴机械手搬运控制程序：

（a）X、Y轴步进电机的位置控制：使用PLC的PTO（脉冲串输出）功能或运动控制工艺对象，发送高速脉冲给步进驱动器，控制机械手精确定位【难点】。需设计回原点程序。

（b）Z轴气动抓取控制：控制气缸电磁阀实现机械手爪的升降与夹紧/放松。

（c）机械手动作流程控制：设计状态机程序，实现从原点出发→取料点抓取→提升→移动到放料点→下降→放料→返回原点的完整循环，并考虑各动作间的互锁与安全。

[5]HMI画面组态与通信：

（a）创建项目视图、运行视图。

（b）设计主监控画面，动态显示设备运行状态（电机启停、物料位置、机械手坐标）。

（c）设计参数设置画面，用于设定输送带速度、分拣延时、机械手动作速度等。

（d）设计报警画面，显示系统故障信息（如电机过载、传感器故障、机械手超限）。

（e）建立HMI变量与PLC变量的关联，实现数据交互。

4.模块四：系统联调与故障诊断【核心】

（1）分步调试：先进行PLC程序空载调试（使用仿真软件或强制变量），验证逻辑正确性；再进行主电路和控制电路不带电检查；最后进行带电机/执行器的空载调试。

（2）空载联调：在无物料的情况下，模拟传感器信号，观察PLC程序响应和输出动作是否正确，机械手动作轨迹是否正常。

（3）带载联调：加入真实物料，进行全流程调试。观察分拣准确率、机械手搬运成功率、系统响应速度。记录调试中出现的问题，如位置偏差、动作不协调、通信干扰等，并分析原因，调整程序或参数，直至系统稳定可靠运行【难点、热点】。

（4）故障模拟与排除：教师人为设置常见故障点（如线路虚接、传感器信号丢失、程序逻辑错误、参数设置不当），训练学生使用万用表、PLC在线监控工具查找并排除故障的能力。

5.模块五：技术文档撰写与项目验收

（1）编写毕业综合实训设计说明书，内容包括项目背景、设计方案、元器件选型表、电气原理图、PLC程序清单（含注释）、HMI画面、调试过程记录、问题分析与改进措施等。

（2）编写设备操作说明书和维护手册。

（3）制作答辩PPT，进行项目成果汇报和现场演示，回答指导教师提问。

（4）提交所有电子版和纸质版资料，完成项目验收。

三、教学实施过程【重中之重】

本课程总计安排4周，共计120学时。实施过程遵循“资讯、计划、决策、实施、检查、评估”的完整行动导向六步法，并深度融合线上线下混合式教学。

（一）第一阶段：项目导入与方案设计（第1周，共30学时）

1.任务发布与资讯获取（4学时）

（1）教师发布项目任务书，详细介绍项目背景、控制要求、技术指标、交付成果及评分标准。教师在此阶段扮演“客户”和“技术顾问”双重角色。

（2）学生分组（每组4-5人），选举组长，明确分工。教师引导学生查阅相关技术手册、国家标准、前序课程笔记、网络教学平台资源（包括微课视频、仿真软件、优秀案例库），进行自主学习。此环节鼓励学生通过中国知网、万方数据或技术论坛，了解类似案例的解决方案。

（3）学生分组讨论，初步分析系统的输入输出，列出I/O清单和所需元器件清单。教师巡视指导，解答共性疑问。

2.方案设计与决策（10学时）

（1）各小组根据资讯结果，设计至少两套初步电气控制方案，比较其优缺点（如成本、可靠性、可扩展性、技术难度）。方案必须包括PLC选型、传感器选型、执行机构方案、通信网络架构等。

（2）组织“方案论证会”。各小组选派代表上台展示本组的设计方案，阐述设计思路和选择依据。教师和其他小组同学作为“评审专家”进行提问和质询。此环节旨在培养学生的批判性思维和决策能力【热点】。

（3）经过充分讨论和教师点评，每个小组确定最终实施方案。教师在此环节重点审核方案的安全性和可行性。

3.电气图纸绘制（16学时）

（1）教师通过在线平台发布EPLAN软件的操作微课和典型图纸范例。学生参照范例，分组进行图纸绘制。

（2）图纸绘制要求分工协作：一人负责主电路，一人负责PLC控制电路，一人负责端子排与电缆清册。组长负责整体协调与图纸校对。

（3）教师巡回指导，针对图纸中的常见错误，如符号使用不规范、线号重复、缺少必要的互锁和保护环节等，进行及时纠正。

（4）每组完成一套完整的电气图纸初稿，需经指导教师审核签字后方可进入下一阶段。

（二）第二阶段：硬件装配与软件编写（第2周，共30学时）

1.控制柜装配与接线（16学时）

（1）安全准入：学生必须穿戴好绝缘鞋、工作服，并再次学习电工安全操作规程，签订安全责任书。

（2）元器件安装：各小组按照审核通过的图纸，在实训室配备的网孔板上进行元器件的定位、安装。教师强调安装工艺，如元器件排列整齐、便于接线和散热、标识清晰等。

（3）布线接线：根据图纸和电气接线工艺标准，进行柜内布线。教师现场示范冷压端子的压接、线号管的打印与套接、行线槽的裁剪与固定等关键操作技巧。要求布线美观，强弱电分层，地线连接可靠。

（4）自查与互查：完成接线后，组长组织组员进行内部自查，对照图纸核对每一根导线。之后，小组之间进行交叉检查，互提改进意见。检查无误后，方可申请通电前检查。

2.PLC与HMI软件设计（14学时）

（1）硬件组态与网络配置：学生在计算机上使用TIAPortal软件，根据选型结果进行硬件组态，配置PLC、分布式IO、变频器的PROFINET设备名称和IP地址。

（2）符号表与变量定义：根据I/O地址分配表和HMI需求，定义具有明确意义的符号名和注释，建立HMI变量与PLC变量的关联。

（3）程序编写：小组根据功能分工，并行编写各功能块程序（输送带控制、分拣控制、机械手控制、报警处理）。鼓励学生在编写过程中利用软件的仿真功能进行初步调试。

（4）程序整合：由组长或编程能力强的同学负责，将各功能块整合到主程序OB1中，并建立正确的调用关系和背景数据块。教师在此阶段提供技术支持和疑难解答，重点关注运动控制程序的编写【难点】。

（三）第三阶段：系统调试与优化（第3周，共30学时）

1.空载调试（12学时）

（1）通电前检查：在教师监护下，用万用表测量电源电压、检查有无短路、接地是否良好。确认无误后，合上电源总闸。

（2）PLC与HMI：将组态好的硬件配置和程序到PLC，将HMI项目到精智面板。

（3）程序空载验证：通过HMI按钮或在程序中强制变量，模拟输入信号，观察PLC输出模块指示灯、HMI画面状态显示是否与程序逻辑一致。调试输送带启停、分拣气缸动作、机械手各轴动作（未连接电机）是否正常。

（4）通信测试：测试HMI与PLC的通信，检查变频器的通信数据是否正常交换。

2.空载联调（10学时）

（1）连接执行机构：在确认控制程序对执行机构的动作逻辑正确后，连接变频器与电机（空载）、连接步进驱动器与步进电机、连接气缸气源。

（2）机械手动调试：在HMI上设置机械手为手动模式，分别调试X、Y、Z轴的单轴运动，检查运动方向、限位开关是否有效、回原点功能是否准确。此环节需特别谨慎，设置好软限位和硬限位，防止机械碰撞【重要】。

（3）自动流程调试：在无物料的情况下，通过手动放置挡片模拟传感器触发，观察整个自动流程是否顺畅，机械手动作轨迹是否与预期相符，是否存在干涉。

3.带载联调与优化（8学时）

（1）加入真实物料，进行连续运行测试。记录分拣成功率、搬运节拍、故障发生频率。

（2）观察系统运行中的问题。例如：输送带速度与分拣推杆动作的配合是否恰当？传感器检测是否稳定（是否存在漏检或误检）？机械手定位精度是否满足要求？是否有电磁干扰导致信号异常？

（3）针对问题，反复优化PLC程序和HMI参数。例如：调整传感器灵敏度、修改PLC程序中的延时参数、优化机械手运动轨迹的加减速曲线、增加软件滤波以消除信号抖动。

（4）此阶段是提升学生解决复杂工程问题能力的关键，教师引导学生采用“现象观察→原因分析→提出假设→实验验证→总结归纳”的科学方法进行故障排查【热点、难点】。

（四）第四阶段：项目收尾与考核评价（第4周，共30学时）

1.故障排除考核（4学时）

教师预先在每组的系统中设置2-3个典型故障点（如断路、程序逻辑错误、参数配置错误）。学生需在规定时间内，独立或协作，使用电工仪表和编程软件在线监控功能，查找并排除故障，记录故障现象和排除过程。此为【高频考点】和【重要】考核环节。

2.技术文档撰写与整理（16学时）

学生集中精力撰写和完善各项技术文档。教师提供文档模板和优秀范例，并对文档的逻辑性、规范性、完整性提出明确要求。特别是设计说明书中，必须包含详细的调试过程记录、关键程序段注释、问题分析及改进策略，体现“做中学、做中思”。

3.项目验收与答辩（8学时）

（1）现场演示：每组进行10分钟的系统现场演示，要求系统稳定运行至少5个完整工作循环，展示HMI监控、参数修改、故障报警等功能。

（2）成果汇报：每组用10分钟PPT汇报项目完成情况，重点介绍方案亮点、遇到的挑战、解决问题的过程和心得体会。

（3）提问答辩：指导教师和其他小组成员就其方案、图纸、程序、文档等进行提问，小组成员回答。问题可涉及技术细节、设计思想、规范标准等。

（4）资料提交：现场提交所有最终版电子和纸质资料。

4.成绩评定与总结反馈（2学时）

（1）成绩构成：过程性评价（40%）与终结性评价（60%）相结合。过程性评价包括：出勤与态度（10%）、团队协作（10%）、各阶段任务完成质量（20%）；终结性评价包括：项目成果（系统运行效果）（30%）、技术文档（15%）、答辩表现（15%）。

（2）教师总结：对整体项目完成情况进行点评，肯定成绩，指出共性问题，并引导学生将本次实训中获得的技能和经验迁移到未来的顶岗实习和工作中。鼓励学生进行自我反思和小组互评。

四、教学资源与环境

（一）实训场地与设备

1.电气控制综合实训室：要求配备40个工位，每个工位配置可移动式网孔板实训台、电源插座、计算机（安装TIAPortalV16及以上版本、EPLANElectricP8等软件）。

2.主要实训装置：每小组配备一套完整的物料分拣与搬运实训模型，包含皮带输送机、传感器支架、气动推杆、三轴机械手模型（含步进电机及驱动器）、西门子S7-1200PLC、KTP700精智面板、G120变频器、低压电气元件（断路器、接触器、热继电器、开关电源、中间继电器等）、标准导线、冷压端子、线号管、行线槽。

3.仪器仪表：数字万用表、钳形电流表、手持式转速表、示波器（选配）、逻辑分析仪（选配）。

4.工具：剥线钳、压线钳、螺丝刀套装、斜口钳、卷尺等。

（二）教学资源库

1.数字化学习平台：学校网络教学平台（如超星泛雅、智慧职教）。平台上发布课程大纲、项目任务书、电子教材、微课视频（涵盖关键技能点，如PLC编程、变频器调试、EPLAN绘图等）、仿真软件、优秀学生作品库、技术论坛链接。

2.技术资料：主流品牌PLC、变频器、传感器、低压电器的选型手册、用户手册、应用实例；电气制图国家标准（GB/T4728,GB/T6988等）；安全操作规程汇编。

五、教学特色与创新

（一）深度融合的课程思政

将思政教育贯穿于教学全过程。在安全规范讲解中，融入生命至上、安全第一的理念；在元器件安装布线中，培养严谨细致、追求卓越的工匠精神；在系统调试排故中，锻炼百折不挠、勇于探索的科学品质；在小组协作中，培育团队合作、沟通包容的职业素养；在项目验收中，树立质量意识、责任意识和诚信意识。

（二）“岗课赛证”融通

1.对标岗位：课程内容紧密对接电气工程师、自动化工程师、维修电工等岗位的典型工作任务和职业能力要求。

2.融通技能大赛：将全国职业院校技能大赛“现代电气控制系统安装与调试”赛项的考核要点、评分标准融入课程教学与评价，提升教学的挑战性和竞技性【热点】。

3.衔接职业技能等级证书：课程内容覆盖电工（高级）、可编程控制系统集成及应用（1+X证书）等证书的考核知识点与技能点，助力学生取证。

（三）虚实结合的教学模式

1.虚拟仿真先行：鼓励学生在进行实际接线和编程前，使用PLCSIM、S7-PLCSIMAdvanc