唐春霞 郝飛

摘 要：從當(dāng)前PLC技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，結(jié)合其發(fā)展趨勢(shì)，研究如何順應(yīng)企業(yè)需求，完善課程內(nèi)容，創(chuàng)新授課形式。通過改進(jìn)教學(xué)方法，提高實(shí)訓(xùn)效果，構(gòu)建針對(duì)性強(qiáng)、集約高效的實(shí)訓(xùn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)和企業(yè)需求的無縫對(duì)接，從而培養(yǎng)高素質(zhì)、接地氣的應(yīng)用型專門人才。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)；應(yīng)用現(xiàn)狀；實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)；企業(yè)需求

基金項(xiàng)目：天津市委教育工委課題 “基于企業(yè)需求的PLC實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)創(chuàng)新研究”（項(xiàng)目編號(hào)：99）

作者簡介：唐春霞，女，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)楣I(yè)電氣自動(dòng)化控制應(yīng)用。

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7747（2016）30-0065-03

一、PLC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

PLC（可編程邏輯控制器）以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)、通訊、電器控制和自動(dòng)控制等技術(shù)，是一種通用的自動(dòng)控制裝置。PLC技術(shù)發(fā)展的初衷是替代繼電器并增強(qiáng)其功能，通過處理邏輯量實(shí)現(xiàn)對(duì)離散生產(chǎn)過程的順序控制；同時(shí)，PLC技術(shù)又基于電子計(jì)算機(jī)，相當(dāng)于工業(yè)現(xiàn)場的微型計(jì)算機(jī)。它在處理邏輯量的同時(shí)，也進(jìn)行模擬量和脈沖量的處理，已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)意義上的邏輯控制，在過程控制、運(yùn)動(dòng)控制等方面都發(fā)揮著重要作用。[1]近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，PLC系統(tǒng)的延展性得到發(fā)揮，具備了很強(qiáng)的數(shù)據(jù)存貯能力和聯(lián)網(wǎng)通訊能力，朝著開發(fā)新的智能模塊、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信能力、增加現(xiàn)場總線接口的方向發(fā)展，其功能快速強(qiáng)大，視覺效果和控制效果明顯提升。

二、PLC技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）品牌應(yīng)用

1.產(chǎn)品特點(diǎn)與市場份額。我國企業(yè)所用的PLC產(chǎn)品按其技術(shù)來源分為美國、歐洲和日本3個(gè)流派。其中美國與歐洲的PLC技術(shù)由各自獨(dú)立開發(fā)，而日本的技術(shù)是從美國引進(jìn)的。

（1）美國產(chǎn)品。美國PLC技術(shù)一直處于全球領(lǐng)先地位，他們的代表是羅克韋爾自動(dòng)化公司旗下的Allen-Bradley品牌，是全球第一品牌。該公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)極具人性化，使用靈活，功能強(qiáng)大且穩(wěn)定性好，但是價(jià)格較高。在全球銷售額處于前列，但是在中國早期僅有部分大型國企使用，市場占有率較低，近年來市場份額有所上升。

（2）歐洲產(chǎn)品。歐洲每個(gè)國家都有其優(yōu)秀的PLC廠商，其代表為德國西門子和法國施耐德。其中德國西門子公司的PLC產(chǎn)品進(jìn)入中國較早，并且和許多高校展開合作，西門子S7系列產(chǎn)品紛紛進(jìn)入高校實(shí)驗(yàn)室，有效提高了業(yè)內(nèi)認(rèn)可度。同時(shí)由于其產(chǎn)品性能穩(wěn)定，價(jià)格適中，品牌知名度和美譽(yù)度較高，市場占有率一直穩(wěn)居榜首。

（3）日本產(chǎn)品。日本PLC品牌主要有三菱、歐姆龍和松下等，產(chǎn)品功能強(qiáng)大，性價(jià)比較高，其中三菱公司市場份額較高，歐姆龍公司近年市場占有率不斷提高。

2.分型號(hào)品牌應(yīng)用。根據(jù)其適用范圍，PLC型號(hào)分為小型、中型和大型3類。其中小型PLC市場以歐洲和日本產(chǎn)品為主，以西門子、三菱和歐姆龍品牌為代表；中型PLC市場是西門子公司一家獨(dú)大；大型PLC市場由西門子、羅克韋爾和施耐德公司三分天下。

（二）技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)今的PLC已不再簡單地替代繼電控制器，也不僅局限于開關(guān)量控制與順序控制，已發(fā)展到模擬量和運(yùn)動(dòng)量控制，進(jìn)行過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、信息處理與聯(lián)網(wǎng)通訊等。

1.網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。目前工業(yè)PLC已經(jīng)從單機(jī)模式進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)代。隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的成熟、智能設(shè)備的發(fā)展和交換技術(shù)的應(yīng)用，幾乎所有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)都可以連接到以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的信息傳遞，消除企業(yè)內(nèi)部的自動(dòng)化信息孤島。同時(shí)，上位機(jī)組態(tài)軟件將所有硬件設(shè)備連接起來，通過直觀的動(dòng)畫進(jìn)行顯示和控制，甚至可以通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)異地控制。

2.過程控制。PLC已經(jīng)從離散控制發(fā)展到連續(xù)過程控制，尤其在鋼鐵、化工等連續(xù)性生產(chǎn)行業(yè)，會(huì)遇到諸如電壓、電流、壓力、溫度、速度、流量等模擬量，必須將其離散化和數(shù)字化，在經(jīng)預(yù)處理后送PLC進(jìn)行處理，然后通過鎖存、轉(zhuǎn)換為模擬輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量對(duì)象的控制。[2]在過程控制的同時(shí)，還能進(jìn)行其它控制，便于完備控制思想，改進(jìn)控制效果。

3.運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制是通過對(duì)電動(dòng)機(jī)電壓、電流和頻率等參數(shù)的控制，來改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度和位移等機(jī)械量，使其按照設(shè)計(jì)思路運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)控制既可以是單坐標(biāo)，即控制對(duì)象作簡單的直線運(yùn)動(dòng)；也可能是多坐標(biāo)的，即控制對(duì)象進(jìn)行平面、立體，甚至是角度變換的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。此外，還可以對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

4.冗余控制。冗余控制是指為增加系統(tǒng)的可靠性，采取兩套或兩套以上相同且相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，通過提供保障系統(tǒng)運(yùn)行的冗余組件，工作系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，冗余配置即自動(dòng)介入，承擔(dān)故障部件的工作，從而減少故障時(shí)間，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。PLC冗余方式有硬件冗余和軟件冗余兩種。

三、PLC實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

PLC實(shí)訓(xùn)教學(xué)是學(xué)生從理論走向?qū)嵺`的橋梁，將直接影響學(xué)生的企業(yè)現(xiàn)場適應(yīng)能力。而當(dāng)前的實(shí)訓(xùn)設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容，都與企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀存在一定差距，使得人才培養(yǎng)難以同企業(yè)需求高度契合。

（一）實(shí)訓(xùn)設(shè)備現(xiàn)狀

職業(yè)院校PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備呈現(xiàn)品牌單一、型號(hào)不全、功能先進(jìn)性不夠等特點(diǎn)。據(jù)調(diào)研，目前多以西門子公司產(chǎn)品為主，型號(hào)主要有兩款，一款是小型PLC，采用西門子S7-200系列（CPU 226CN）；另一款是中小型PLC，采用西門子S7-300系列（CPU 314C-2DP）。西門子S7-200系列（CPU 226CN）支持PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議，具備自由通訊能力，能夠?qū)崿F(xiàn)RS485簡單通信；西門子S7-300系列（CPU 314C-2DP）用于分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，各種模塊之間通過組合實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，支持MPI通訊協(xié)議和PROFIBUS-DP通信協(xié)議。PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等領(lǐng)域都有應(yīng)用。但是兩款PLC都不支持目前最流行的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。

（二）教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

職業(yè)院校維修電工PLC實(shí)訓(xùn)課程通常按等級(jí)設(shè)置內(nèi)容，分為維修電工中級(jí)工、高級(jí)工和技師3個(gè)等級(jí)。

1.維修電工中級(jí)工課程。中級(jí)工PLC課程為入門級(jí)，學(xué)習(xí)小型PLC的簡單應(yīng)用，采用設(shè)備為西門子S7-200系列（CPU 226CN），實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練時(shí)間一般為兩周。

主要內(nèi)容包括四個(gè)方面：（1）小型PLC的輸入輸出接線；（2）編程軟件的基本應(yīng)用，包括編程軟件的安裝與打開，新建、保存和打開工程，以及新建程序段、設(shè)置符號(hào)表和設(shè)置參數(shù)等；（3）基本邏輯指令編程應(yīng)用；（4）簡單項(xiàng)目的調(diào)試、基本繼電控制電路PLC控制，包括起保停、點(diǎn)動(dòng)連續(xù)、順序啟動(dòng)和工作臺(tái)往返控制等。

2.維修電工高級(jí)工課程設(shè)置。學(xué)習(xí)小型PLC，采用設(shè)備為西門子S7-200系列（CPU 226CN），訓(xùn)練時(shí)間為兩周，主要內(nèi)容包括四個(gè)方面：（1）相對(duì)復(fù)雜邏輯關(guān)系編程；（2）PLC硬件的選型，了解小型PLC各個(gè)系列和型號(hào)的特點(diǎn)；（3）熟悉小型PLC的功能、擴(kuò)展，建立工程概念，設(shè)計(jì)PLC接線等；（4）復(fù)雜項(xiàng)目的調(diào)試，完成物料輸送和分揀項(xiàng)目的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程調(diào)試等。

3.維修電工技師課程設(shè)置。學(xué)習(xí)中型PLC，采用設(shè)備為西門子S7-300系列（CPU 314C-2DP），訓(xùn)練時(shí)間兩周，主要內(nèi)容包括三個(gè)方面：（1）中型PLC模塊化應(yīng)用特點(diǎn)、硬件組態(tài)與配置，了解中大型與小型PLC的區(qū)別；（2）中大型PLC的編程理念，了解結(jié)構(gòu)化編程、數(shù)據(jù)塊的應(yīng)用等；（3）引入西門子觸摸屏的應(yīng)用，了解組態(tài)軟件的簡單應(yīng)用、初步建立網(wǎng)絡(luò)通信的概念。

由此可見，當(dāng)前的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容雖然分級(jí)別進(jìn)行設(shè)置，但是教學(xué)內(nèi)容相對(duì)孤立，缺乏對(duì)系統(tǒng)的綜合控制和聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)的訓(xùn)練，與當(dāng)前企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)有一定差距。

四、面向企業(yè)需求，創(chuàng)新PLC實(shí)訓(xùn)教學(xué)

（一）設(shè)備品牌的全面性

根據(jù)筆者的調(diào)研和了解，目前高校PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備大多采用德國西門子品牌，少數(shù)有日本三菱品牌，更無美國A-B品牌產(chǎn)品，而這3個(gè)流派PLC的編程語言和思路有著明顯區(qū)別。西門子PLC采用結(jié)構(gòu)化編程方法，有梯形圖、邏輯圖等多種PLC編程語言，但是復(fù)雜問題必須用語句表。美國A-B品牌PLC與西門子的編程方法相去甚遠(yuǎn)，沒有語句表，全部依靠梯形圖編程，且它的梯形圖與西門子梯形圖在形式、功能和用法上差別很大。日本微小型PLC產(chǎn)品對(duì)梯形圖、語句表并重，而且配置了包括功能指令的指令系統(tǒng)。由此可見，當(dāng)前職業(yè)院校PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備品牌局限性非常明顯，與企業(yè)應(yīng)用差距較大，勢(shì)必造成學(xué)生視野的局限性和應(yīng)用能力的制約性，這是當(dāng)前PLC實(shí)訓(xùn)課程的短板之一。

如何科學(xué)規(guī)劃實(shí)訓(xùn)設(shè)備品牌的全面性？在考慮針對(duì)性和全面性的同時(shí)，也要考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性。不妨參考200多家PLC廠商、400多品種產(chǎn)品在我國銷售的大數(shù)據(jù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國近年每年P(guān)LC設(shè)備的引進(jìn)總額在5 500萬美元左右，其中美國品牌約2 000萬美元、歐洲品牌約2 500萬美元、日本品牌約1 000萬美元。根據(jù)型號(hào)細(xì)分，大中型PLC以歐美產(chǎn)品為主，德國西門子公司和美國A-B公司平分秋色；小型PLC主要是日本產(chǎn)品，三菱和歐姆龍公司產(chǎn)品居多。

為此，建議適量選擇美國A-B公司的中型PLC，增加部分日本三菱或歐姆龍公司的小型PLC。

（二）功能模塊的先進(jìn)性

PLC產(chǎn)品與其它電子產(chǎn)品一樣，種類多且發(fā)展速度快，但是教學(xué)內(nèi)容的更新是需要時(shí)間的，由此常常導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性不夠，與企業(yè)實(shí)際應(yīng)用差距較大。[3]當(dāng)前企業(yè)PLC應(yīng)用主要在5個(gè)方面：開關(guān)量控制、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制和冗余控制?；诖?，PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備需要補(bǔ)充相應(yīng)的功能模塊，或者進(jìn)行設(shè)備更新，保證其先進(jìn)性和實(shí)用性。

同時(shí)，為了開闊學(xué)生視野，培育前瞻性思維，建議開設(shè)“PLC前沿技術(shù)應(yīng)用”等專題講座，以彌補(bǔ)設(shè)備更新滯后所帶來的教學(xué)缺陷。

（三）教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性

根據(jù)對(duì)部分企業(yè)的調(diào)研結(jié)果，建議就教學(xué)內(nèi)容做如下調(diào)整。

1.中級(jí)工課程增加模擬量的應(yīng)用，即過程控制內(nèi)容。

2.高級(jí)工課程增加網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用，尤其是工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用。

3.技師課程增加運(yùn)動(dòng)控制，提高設(shè)備聯(lián)網(wǎng)控制要求，進(jìn)行多個(gè)品牌PLC的應(yīng)用實(shí)訓(xùn)。

（四）教學(xué)形式的多樣性

1.案例式教學(xué)。開發(fā)與企業(yè)應(yīng)用相契合的典型工程案例，把抽象的基本原理、控制思想、指令意義、操作技能等教學(xué)內(nèi)容具體化，縮短課堂教學(xué)與工廠實(shí)際的差距，提高與現(xiàn)場的相似度和契合度，使課堂教學(xué)更逼真、更生動(dòng)，在互動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)場概念和一線思維，促進(jìn)其快速適應(yīng)工廠環(huán)境，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)和企業(yè)現(xiàn)場的無縫對(duì)接。

2.差異化教學(xué)。針對(duì)學(xué)生的不同層次，區(qū)別培養(yǎng)方向，細(xì)化教學(xué)模塊，差別確定各模塊實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)，做到方向明確、重點(diǎn)突出、因材施教、才盡其用。（1）中級(jí)工訓(xùn)練模塊以開關(guān)量基本指令為主要內(nèi)容，采用引入式教學(xué)，從培養(yǎng)興趣入手，訓(xùn)練基本應(yīng)用能力。同時(shí)，了解模擬量的應(yīng)用；（2）高級(jí)工訓(xùn)練模塊以故障的快速判斷和準(zhǔn)確處理為目標(biāo)，通過相對(duì)復(fù)雜程序的編寫、調(diào)試和優(yōu)化，有效提高學(xué)生的設(shè)備“維修”能力和 “掌控”能力；（3）技師模塊以PLC網(wǎng)絡(luò)通信為主要內(nèi)容，通過不同品牌與型號(hào)PLC的全面訓(xùn)練，以及與觸摸屏、變頻器等自動(dòng)化設(shè)備的互動(dòng)控制，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

3.全方位考核。建議在實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書中設(shè)置預(yù)習(xí)內(nèi)容，增加預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)考核，“逼迫”學(xué)生課前預(yù)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，帶著疑問進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室，在解決問題中增強(qiáng)成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)課堂效果。

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[責(zé)任編輯 陳國平]