2.M. 1. L. 1, Az állandó és a változó tudás fogalma és oktatási vetületei A szakképzés modernizálása egy adott szakmai területen folyamatosan megköveteli az adott szakmódszertan megújulását. A korábbi módszertani paradigma szerint a külsőleg magadott tartalom minél tökéletesebb meghatározásához kereste a módszereket. Míg az új paradigma értelmezése szerint azokat a lehetőségeket keresi, melyek segítségével egy változó tartalom meghatározható és megtanulható. Azt az alapelvet, amely olyan módszerek és eszközök alkalmazását igényli a tanártól, amelyek hatására a tanulók tudása maradandóbbá, pontosabbá, mélyebbé, rendszerezettebbé válik a tudás tartóssági alapelvének nevezzük. Ezek biztosítják az alapismereteket, a tartalmi tudás kialakítását, ez az úgynevezett rögzült tudás. Ez alapozza meg az egyén alpismereteit, készségeit és elsajátított tudását. Nézzük, hogy melyek azok a tényezők amelyek biztosítják ezen alapelv sikeres megvalósítását az elektronikai/elektrotechnikai tantárgy tanítási-tanulási folyamatában: Pl. az áramkörök működése, az elektronvándorlás jelensége, mérőpontok megkeresése, a csomópontok kapcsolódása a rögzült tudás elemeit hordozzák, míg a bonyolultabb áramkörök „életre keltése”, vagy a párhuzamosan kapcsolt elemek kezelése már más fajta megközelítést kíván meg. Ez a fajta progresszív típusú megközelítés pedig a változó tudás, amely feltételez egyfajta önállóságot, megfelelő szemléletmódot, amely lehetővé teszi, hogy az új megjelenő áramköröket, elveket, összefüggéseket is kezelni tudják a tanulók. Ez jelenti tehát az oktatás előkészítő funkcióját, amely a metatudás kialakítására összpontosít, azaz felkészíti az egyént az új ismeretek befogadására. Tehát az alapkapcsolásokat követően a következő ábra egy komplex vegyes kapcsolásra mutat példát, aminek értelmezéséhez már szükséges a rögzült tudáselemeket továbbgondolni, és a tanult algoritmusok mentén értelmezni és megoldani a kívánt feladatot, mely újabb ismeretek befogadását teszi szükségessé. i
2.M. 1.1 ábra: vegyes kapcsolás, forrás:saját szerkesztés
Az oktatás megőrző és előkészítő funkciója kapcsán az alábbi jellemzőket állapíthatju meg:
•
A legfőbb tanítási cél a tanulók érdeklődésének felkeltése és fenntartása az elsajátítandó ismeretek iránt. Napjaink információs, vagy tudástársadalmában nem kérdéses, hogy a 21. század évtizedében az informatikai forradalom mind intenzívebben zajlik, amely jelentősen átrendezi mindennapi információs és kommunikációs rendszerünket.
•
A számítógépek alkalmazásának szükségessége napjaink oktatásában és mindennapi életvitelében már széles körben elfogadott. A munkakörök széles skálája igényel számítástechnikai ismereteket, az irodai munkaköröktől a termelés legkülönbözőbb területéig bezárólag.
•
A tanítás közbeni motiváció kétoldalú gyszerre, egyfelől minden tanuló számára világos kell, hogy legyen, hogy az ilyen irányú ismeretekre szükség van, másfelől a tantárgy tartalmaz olyan látványos tartalmi elemeket (grafikus felületek; mozgó, színes ábrák, képek; hanghatások, stb.), amelynek ésszerű alkalmazása segít felkelteni a tanulók tantárgy iránti érdeklődését. Ezzel növeli a tanulók sikerélményét, hogy önálló kapcsolatba kerülnek egy eszközzel, megtanulják azt kezelni; megtanulnak dokumentumokat készíteni, amelyben megvalósíthatják önmagukat. Ez a kézzel fogható siker igen jól motivál és az érdeklődést is felkelti. Mindezek persze nem azt jelentik, hogy a tanárnak nincs teendője ezen a téren, hiszen ezeket az elvárásokat megfelelően kezelni, mederben tartani, ill. erősíteni kell. A tanár feladata éppen az, hogy ezeket a lehetőséget felhasználja a tananyag feldolgozása során.
•
Az ismétlés, amely lehetővé teszi a visszatérést már korábban tanult ismeretekhez, ilyenkor a tanulók felidézik a korábban tanultakat és ezáltal elmélyítik, tudatosabbá teszik, bővítik ismereteiket. Az új szempontok alapján történő ismétlésekkel a tanulók széleskörű tudást szerezhetnek. ( “Az ismétlés a tudás anyja.” ) Ez nagyon sokféleképpen történhet: óravégi összefoglalás, gyakorló óra, összefoglaló, rendszerező óra keretében, a lényeges részek visszatérő, másoldalról történő bemutatásával, a lényegi részek kiemelésével, a tantárgyon belüli összefüggések illetve tantárgyi koncentrációk bemutatásával. A elektronikai alapismeretek tantárgyban is jól alkalmazhatók ezek az elvek, gondoljunk csak “Az alapkapcsolások” c. témakörre. A téma feldolgozását a feladatával, fajtáival, kialakulásával kell elkezdeni. Ez módot ad az előzőleg tanult hardver más oldalról történő bemutatására, az összefüggések mélyebb feltárására; ugyanakkor a következő témakörök tudatos előrevetítése megvalósítja az építőelvű tananyag feldolgozást és ezáltal megszilárdítja a tanulói tudást és fejleszti a tanuló problémamegoldó gondolkodást is. Különösen fontos ez ebben a tantárgyban, hiszen annak robbanásszerű fejlődése megköveteli a tanulók későbbi önképzését, azt pedig az iskolai tanulmányaik során kell megalapozni, előkészíteni.
•
A rögzült tudás kialakítása helyett a változó tudásra való előkészítés válik a tanári tevékenység egyik meghatározó feladatává. Felmerülhet a kérdés, hogy milyen módon tárhatók fel a változó tartalmi struktúrák. A válaszokat az alábiakkban találhatjuk meg erre:
•
Tanulás, információfeldolgozás képességének fejlesztésével
•
Megfelelő szemlélet kialakításával
•
Az új technológiák csak megfelelő munkaerőre épülve láthatják el funkciójukat, ami a műszaki fejlődéssel folyamatosan változik
•
Az oktatási intézmények és az ipar szoros együttműködése nagy relevanciával bír
•
Kulcskvalifikációk szerepe is nagyon fontos.
2.M. 1. L. 2. Változó szakmai tevékenységek és szakterületek integrálódása Az elektrotechnikai-elektonikai szakmák közül villanyszerelő szakma is egyre inkább igényli az egyes szakterületi tudások, kompetenciák birtoklását, a rögzült tudás mellett pedig egyre nagyobb jelentőséggel bír a változó tudás szerepe. Szakterületeket tekintvve pedig az elektronika µ és n szintjérs is ez igaz mindinkább. Manapság kompakt, nem javítható zárt készülékek használatosak a szórakoztató elektronikától a mosogatógépig. Az elektronika (LED-lámpa) kiváltotta az Izzó lámpát (elektrotechnika) Az erősáramú ipar elektronizálódott, az elektronika bevonult a konzervatív elektrotechnikai szakterületekre is, mint az energiaellátás (pl.: Virtuális Erőművek), de új szakterületeket hódit meg: autóipar és egészségügyés így tovább. Tehát elektronikai rendszerek napjainkban már nem létezhetnek mikroelektronika illetve valamilyen szintű informatika nélkül, és fordítva is igaz, az informatikai rendszerek sem működhetnének elektronika nélkül. Ezáltal a szakmaterület profilja is átalakult és a tiszta típusok mellett a vegyes jelleg a domináns. Így hiába van egyre több villamos és elektronizált rendszer, a telepítés beüzemelésen kívül a lakosság alig találkozik napi tevékenysége során szakemberekkel. A kivitelezés, a felújítás is beszűkült igazi nagy beruházások nincsenek, a feladatok egyre összetettebbek. A villanyszerelő szakma egyre inkább olyan tevékenységgé vált, ahol a szakembernek már egy komplex, megújulni képes tudással kell rendelkeznie, hogy egy számára még ismeretlen feladatot is jól meg tudjon oldani. Azaz nem elegendő ma már az alapvető szerelvnyek, szerelési anyagok, bekötések ismerete, fel kell készülni a korszerű eszközök és vezérlések kezelésére is, melyek egyre gyakrabban már integráltan jelennek meg, mint pl. a PLC-k, vgy az intelligens rendszerek. Sőt ezeknél a modern rendszereknél már számolni kell az elekronika és informatika szoros integrációs technológiájára is, vagyis óhataltan, hogy ma egy villamos szakember ne értsen valamilyen meghatározott szinten az informatikához is. Hiszen egyre több olyan villamos berendezéssel és rendszerrel találkozunk, amely hálózati protokollon kommunikál, vagy IP alapú vezérlő interfésszel működik (ilyen pl. az EIB, KNX, AMX rendszer is). egy ilyen komplex intelligens rendszer tmutat a következő ábra.
2.M. 1.2. ábra: Intelligens épület elektromos rendszere ii Ez is mutatja, hogy ugyanazokat a feladatokat már korszerűbb, újabb eszközökkel valósíthatjuk meg, de ehhez fel kell vértezni a szakembereket az ezek használatához szükséges új ismeretekkel. Erre egy jó példa a relé áramköri elem, amit előbb a mágneskapcsoló, majd napjainkban egyre inkább a PLC vált fel. 2.M. 1. L. 2.1, A relé, mágneskapcsoló, és PLC felépítése és vezérlési szerepük összehasonlítása
A relé egy elektromágnessel működtetett érintkező sor, amely nyitó és záró érintkezőket kapcsol. Két szerkezeti részből áll, melyek között nincs galvanikus kapcsolat. A vezérlő áramkörből, amely maga a tekercs, és a vezérelt érintkezőt tartalmazó munka áramkörből. Az üzembe helyezés során a tekercsben a mágneses indukció hatására a mozgó érintkezősor működésbe jön, így záródik a munkaáramú érintkező (záró érintkező), és nyit a nyugalmi áramú érintkező (nyitó érintkező). A vezérlőáramkör kikapcsolásakor megszűnik a mágneses mező, így a relé mozgó érintkezői a visszahúzó-rugó hatására visszaállnak az alaphelyzetbe. A relé jelentősége: kis feszültséggel nagy terhelések kapcsolhatók, így kapcsolóerősítőként funkcionál. A be- és kimenetek között nincs galvanikus kapcsolat. A relé alkalmas a vezérlő- és a vezérelt áramkör elkülönítésére, potenciálkülönbség esetén megvalósítja a leválasztást.
M. 1. L.2.2, Váltó (morze ) érintkezővel kialakított relé
2.M.1.3 ábra: Váltórelé, saját kép
2.M. 1.L. 2.3 Mágneskapcsolók szerkezete, működése, alkalmazása A mágneskapcsolók alkalmazásával is egy komplexebb feladat megoldására kerülhet sor, melyben már megjelenik a vezérléstecshnikai ismeretek felhasználása is. Oktatásmódszertani szempontból ezt praktikusabb a gyengeáramú váltórelék tárgylása után elhelyezni a tanmenetben, hiszen ezeknél a 24V feszülstédszint mellett megjelenik a 230v-os, vagy a 400V-os feszültségi szint is, melyre fokozottan kell figyelnünk biztonságtechnikai szempontból is. Ezek felhasználási céljához ismerni kell az elektornikus érintkezőpárok közt fellépő tranziens jelenséget, s az ebből származható átmeneti ellenállások jelentőségét is. Mágneskapcsoló szerkezeti felépításe: ház, talpazat, tekercs, vasmag, nyomórugók, álló érintkezők, mozgó érintkezők. Mágneskapcsolók tulajdonéppen kisárammal vezérelt, több záró-nyitó, fő-és egédérintkezővel ellátott elektromechanikus elemek. Funkciói:
• • • •
Kisárammal nagyáram kapcsolása Hálózatról fémes leválasztás Nullretesz-védelem Hőkioldóval motorvédő kapcsoló funkció
2.M.1.4. ábra: Mágneskapcsolók, forrás: Bayer Géza Modul rendszerű mágneskapcsolók: Szerkezetileg más felépítésűek, mint hagyományos társaik annak ellenére, hogy vezérlési szempontból működésük szinte ugyanaz.
2.M.1.5. ábra: Modulos Mágneskapcsolók, forrás: Bayer Géza
2.M. 1. L. 3, Programozható logikai vezérlő: PLC felépítése, programozási módjai és alkalmazási példái.
2.M. 1.6. ábra: Programozható logikai vezérlő, forrás: Bayer Géza A PLC angol kifejezés rövidítése: Programmable Logic Controll. Az első PLC-k a relés vezérlések egyszerűsítésére készültek. Az iskoali tanmenetben előzetesen megtanult és az előzőleg itt bemutatott mágneskapcsolók témaköre nagyon szépen bevezeti a PLC-k jelentőségét, calklamazási célját, felépítését, működését, azaz a relés és mágneskapcsolós működések előzetes ismerete egyérelműen segíti a PLC témakör feldolgozását. Ennek módszertani alapja abban rejlik, hogy az egyszerűbb alapvezérlések működését, felhasználási területét, a be és kimenetek közötti jellemzők változását már elsajátították, azzal tisztában vannak (rögzült tudás), így erre sokkal könnyeb ráépíteni a PLC technológia ismeretének alapjait, alkalmazását, működését (változó tudás). Fontos a PLC alapok megértése, mivel a mai PLC-k nagyon sok további funkcióval is bővültek már a generációk fejlődése során. E témakör bevezetésére mutat egy konkrét óravázlatot a következő táblázat.
Idő
Az óra menete
Megjegyzések
5 perc
Hetesek jelentése, hiányzók regisztrálása.
E napló használat.
20 perc
Füzetek elővétele a jegyzeteléshez.
Bevezetés.
A számítógépek maradnak kikapcsolva. Milyen áramköri elemeket ismertünk meg az egyszerűbb vezérlések működése során? A mai órán ezeknek az áramköri elemeknek a használatával és az előző évben elsajátított ismereteink segítségével, PLC vezérléssel valósítunk meg épületautomatizálást. A PLC logikai vezérlők fogalma, felépítése, meghatározása. 30 perc
A PLC felépítése: Ki és be menetei, csatlakozó pontok ismertetése. Az PLC egységek bekötésének gyakorlati megvalósítása.
Ismétlés. Frontális tanári kérdés. Óra tartalmi részeinek ismertetése. Az órai célkitűzés megtörténik. A gépek kikapcsolt állapotban vannak. Tanóracím: A PLC jelentősége az épület vezérlések területén. Frontális osztálymunka. rövid ismétlés A füzetbe minden a tananyaggal kapcsolatban elhangzott rögzítésre kerül. Tanári magyarázat. gyakorlat: csoport munka Esetleges kérdések megválaszolása
Kinek van kérdése, az elhangzottakkal? 5perc
Összefoglalás, értékelés.
Következő óra tartalmi részeinek rövid ismertetése, érdeklődés felkeltése céljából.
2.M. 1.7. ábra: Óravázlat Programozható logikai vezérlő témakör bevezetésére, forrás: Bayer Géza
2.M. 1. L. 3.1,A PLC felépítése
a) Bemeneti egység b) Központi egység, mikroprocesszor c) Programtárolás, memória d) Átmeneti tárolás e) Kimeneti egység f) Tápegység
2.M.1.8. ábra: Programozható logikai vezérlő blokksémája, forrás: Bayer Géza
2.M. 1. L. 3.2, A PLC programozási módjai, alkalmazási példái A PLC programozási nyelveknek az alábbi elvárásoknak kell megfelelniük: - Legyenek könnyen és gyorsan megtanulhatóak - Illeszkedjenek a tervezési szokásokhoz - Legyenek szabványosíthatóak
A fentiek figyelembevételével az alábbi programozási lehetőségeket fejlesztették ki: - Programozás utasításlista alapján (IL – Instruction List) - Programozás logikai terv segítségével (FBD – Functional Block Diagram) - Programozás létradiagram segítségével (LD – Ladder Diagram)
- Az utóbbi két változat együttes alkalmazásával (QLD – Quick Ladder Diagram)
A PLC által végrehajtandó programot PC segítségével telepítjük a PLC programtárolójába. A telepített programot a készülék feldolgozza, és lépésről lépésre végrehajtja. A program részben vagy teljes egészében megváltoztatható.
A PLC fő hasznosítási területe: ipari gépek, gyártósorok vezérlése. A korszerű PLC-k alkalmasak kétállapotú (digitális) és analóg jelek feldolgozására (A/D átalakító). Sőt, ma már különböző szabályozási feladatokat is képesek végrehajtani.
Főbb gyártók és azok ismérvei - ABB
- Siemens
- Klöckner-Moeller
- Omron/Telemechanique
A szabadon programozható PLC két fajtáját ismerjük: - Kompakt: egy egységben tartalmazza az összes alapmodult. - Moduláris: a központi egységen kívül (alapmodulok) tartalmazza a bővítő egységeket is (be- és kimenetek, A/D átalakító stb.)
A programozható logikai vezérlő előnyei, hátrányai Azok az előnyök, amelyeket egy PLC nyújt, már itt meghatározhatóak: - A készülék tipizálhatósága - Könnyű változtathatóság - Az üzembe helyezés során, majd később is viszonylag egyszerű a programváltoztatás. - Kis helyigény: mivel a PLC a logikai, az időzítő és a számláló műveleteket is elvégzi, további segéd relékre, időrelékre és számlálókra nincs szükség. - Másolható programok: ésszerű, automatikus dokumentálhatóság, időtakarékosság - Rövidebb létesítési idő: a párhuzamosan végezhető tervezési és kivitelezési munkák révén. Ezek az előnyök eddig elsősorban a nagyobb vezérléseknél voltak szembeötlők (több mint 10 segéd relé), mivel egy programozható logikai vezérlő (PLC) beszerzési költsége viszonylag magas volt. Az
utóbbi időben azonban megjelentek a mini PLC-k, amelyek a kisebb vezérlési feladatokra is kedvező árviszonyok mellett alkalmazhatók.
3 fázisú motor működtetése mágneskapcsoló vezérléssel
2.M.1.9. ábra: 3 fázisú motor működtetése mágneskapcsoló vezérléssel, forrás: Bayer Géza
3 fázisú motor működtetése PLC vezérléssel
2.M. 1.10. ábra: 3 fázisú motor működtetése PLC vezérléssel, forrás: Bayer Géza
Egyszerűen végrehajtható áramkör és programmódosítás
2.M.1.11. ábra: 3 fázisú motor működtetése PLC vezérléssel programmódosításkor, forrás: Bayer Géza
. 2.M. 1.12. ábra: 3 fázisú motor működtetése PLC vezérléssel programmódosításkor, forrás: Bayer Géza
A változó tudás kiemelkedő szerepe az új szemlélet kialakításában, az új lehetőségek felismerésében rejlik az elekrtonika területén is. Ilyen lehet a fenntartható fejlődés, környezettudatos magatartás, vagy pl. az alternatív energiahordozók használata. pl.Ma már egy olyan passzív épületeket, szerkezeteket, rendszereket terveznek, mely rendkívül környezetbarát. Ehhez ugyanis ma már rendelkezésre állnak azok a technológiai eszközök (és az alkalmazásukhoz szükséges gyakorlati tapasztalatok), amelyekkel egy-egy lakóépület energiafelhasználásának költségei radikálisan - akár kevesebb, mint egyötödére! is csökkenthetők. Emellett e rendszerek további előnye, hogy ennek megfelelően csökken az épület károsanyag- (mindenekelőtt szén-dioxid-) kibocsátása is, ami egyre fontosabb szempont azoknak az európai polgároknak, akik a környezetükért felelősséget érző embereknek szeretik tudni magukat.
i
Baloghné Szombathelyi Mária: Az elektrotechnika tanításának módszertana 1995. (J4-1001) Bayer Géza: Az intelligens épületvezérlések oktatásának szerepe az elektrotechnikaelektronika szakmacsoport területén, Szakdolgozat, Budapest, 2014 ii
