◆鄒萍 劉燕 許仙珍 單長考

基于遞進式教學模式的PLC控制技術實踐教學研究*

◆鄒萍 劉燕 許仙珍 單長考

PLC控制技術是自動化、電氣工程等專業(yè)的一門實踐性很強的專業(yè)課，在理論教學基礎上，設計遞進式實踐教學內(nèi)容，統(tǒng)籌課程實驗、課程實訓、綜合訓練等環(huán)節(jié)的實踐內(nèi)容，形成單元—系統(tǒng)—應用的遞進式分層結構，使學生能夠將所學理論知識用于解決實際問題，促進理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生的動手能力，提高學生的綜合素質。

PLC控制技術；遞進式教學模式；實踐教學改革

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.140

1　引言

PLC控制技術是一門重要的技術應用型專業(yè)基礎課程，該課程要求教學能更加突出實用性，能與生產(chǎn)實際、生產(chǎn)崗位對人才的需求相結合。而在該課程傳統(tǒng)的教學中，理論與實際脫節(jié)較嚴重，雖然按照專業(yè)培養(yǎng)計劃和教學大綱的安排，后續(xù)也有實驗和實訓等教學環(huán)節(jié)，但由于由不同的教師任課，再加上實踐教學內(nèi)容單調(diào)、陳舊，多為驗證性實驗，不能很好地調(diào)動學生的主觀能動性，同時無法培養(yǎng)學生的綜合應用能力，很難培養(yǎng)出企業(yè)所需要的生產(chǎn)一線的技術骨干。這與當前高校的卓越工程師計劃的培養(yǎng)目標相違背。為了使學生在大學四年中具備一定的工程設計能力，使大學教育與生產(chǎn)實際無縫銜接，常熟理工學院在PLC控制技術課程的實踐教學改革中進行了深入的研究。

2　夯實基本理論知識，巧妙設計實驗項目

課程實驗的主要目的是使學生通過動手實踐進一步理解PLC的硬件結構、外部接線方法和編址方式，掌握編程軟件的使用方法以及基本指令的功能和應用。原先的實驗多為演示型、驗證型的項目，學生只需輸入程序、觀察現(xiàn)象即可，缺少對于主觀能動性的調(diào)動。于是各位任課教師組成教改項目組，大家一起研討，對實驗項目內(nèi)容進行改革，將實驗分為基本型、綜合型和設計型三類。在基本型實驗項目中，首先是一段驗證性的程序或是簡單的幾句指令就能實現(xiàn)的小項目，然后是一個稍微復雜一點兒的控制要求，請學生在掌握之前指令應用的基礎上做出思考，獨立完成程序編寫并調(diào)試。對于基本型實驗，要求一人一機，確保每個學生能夠得到足夠學時的鍛煉。如設置“定時器和計數(shù)器使用實驗”“搶答器控制實驗”“舞臺燈光控制程序設計實驗”和“中斷程序的編程運用實驗”，使學生初步理解和掌握定時器、計數(shù)器、中斷的工作原理及使用方法，了解基本邏輯指令和簡單的功能指令的基本運用。

在基本實驗之后又設置了綜合型實驗，將多個基本知識點或PLC課程內(nèi)容與其他專業(yè)課內(nèi)容相結合，實驗內(nèi)容更豐富，需要學生綜合運用所學知識來解決問題。原先只有按鈕和指示燈的實驗臺因為實驗效果單調(diào)、不直觀，已經(jīng)無法滿足需求了。為此，教師自主設計開發(fā)PLC綜合實驗裝置，集成電梯—機械滑臺—步進電機單元、圓工作臺—三相交流電機—編碼器單元、變頻器單元、微型加熱器單元、數(shù)碼管顯示單元等，極大地豐富了實驗控制對象。該實驗裝置在“第二屆全國高校實驗室工作論壇”中榮獲了“首屆高等學校自制教學儀器設備成果獎”。據(jù)此開設了“十字路口交通燈的控制實驗”“裝料小車控制實驗”“編碼器應用編程實驗”和“變頻器對電機的控制實驗”，這些實驗綜合了功能指令、子程序、中斷、高速計算器、步進電機控制、變頻器控制等知識，使學生進一步理解PLC如何與被控對象構成一個系統(tǒng)，PLC在這個系統(tǒng)中如何起到控制的作用。PLC控制技術實驗項目如表1所示。

*項目來源：江蘇省自動化類重點專業(yè)建設項目“基于《PLC控制技術》的遞進式實踐教學方法研究”（項目編號：ZSZY03-2-02）；常熟理工學院研究性課程立項建設項目“電氣工程綜合訓練”（項目編號：JXK2015072）。作者：鄒萍，常熟理工學院電氣與自動化工程學院實驗師，主要從事電氣工程及其自動化專業(yè)的理論、實踐教學與研究；劉燕、許仙珍、單長考，常熟理工學院電氣與自動化工程學院（215500）。

表1　PLC控制技術實驗項目

設計型實驗則給予學生更大的空間，學生可以自行選擇控制對象的模塊、設計獨特的工藝流程，還可以選擇組態(tài)王、WINCC或觸摸屏作為上位機，搭建自己的控制系統(tǒng)。在經(jīng)過總體方案設計制訂、硬件選擇、程序設計、安裝調(diào)試整個流程的訓練后，學生就初步掌握了系統(tǒng)設計的過程，也從中鍛煉了設計過程中分析和解決問題的能力。

綜合型、設計型實驗要求學生兩人一組共同完成，這培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作精神，通過自己動手實踐，將一條條枯燥的指令轉化為生動的控制效果，極大地增強了學生的學習興趣。同時，實踐過程中的不斷調(diào)試可以幫助學生找到自己編程上的不足，拓寬思路，尋找更好的編程方法和訣竅，增強學生的自主學習能力和學習的信心。

3　轉化教師科研項目，分解形成實訓項目

為期兩周的PLC控制技術實訓是一個集中實踐教學環(huán)節(jié)，目的是使學生掌握PLC的硬件系統(tǒng)設計、軟件程序設計及調(diào)試，培養(yǎng)學生動手能力、解決實際問題的能力，為今后從事自動化控制方面的工作打下良好基礎。

項目組的教師大多有工廠工作經(jīng)歷或科研項目開發(fā)經(jīng)驗，為了使實訓項目能夠更接近于工程實際，將教師參與的橫向科研項目進行分解，先轉化為一個個小的控制實驗，最后綜合為一個完整的項目，將更復雜的控制、更具體的應用背景引入進來，使學生能將所學知識與真正的工礦現(xiàn)場需求聯(lián)系起來，為接下來進行畢業(yè)設計以及今后走上工作崗位打好基礎。

如將加熱爐燃燒控制系統(tǒng)中的溫度控制引入進來，開發(fā)“微型加熱器自動溫度控制系統(tǒng)設計”的實訓項目，利用S7-200 PLC的模擬量采集指令、PID指令、數(shù)據(jù)處理指令等，實現(xiàn)溫度的恒定控制；將實際工廠中機床的運行控制引入進來，設計“機械滑臺工藝流程控制系統(tǒng)設計”，綜合利用功能指令、子程序、模擬量控制等，由PLC控制變頻器或步進電機帶動三相電動機或機械滑臺模塊實現(xiàn)不同行走路徑的流程控制；將生活中常見的電梯引入進來，設計“四層電梯控制系統(tǒng)設計”“八站小車呼叫控制系統(tǒng)設計”，考驗學生的邏輯分析能力及綜合運用變頻器進行速度控制、用數(shù)碼管進行數(shù)字顯示的能力。

實訓是對課程實驗的升華，主要圍繞工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的設計，設計由PLC、變頻器、編碼器及上位機等工業(yè)自動化設備組成的電氣自動化控制系統(tǒng)，實訓結束后提交包括整體設計方案、硬件接線圖、I/O分配表、軟件流程圖等的實訓報告，使學生具備嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和樂于合作的團隊精神，掌握技術文檔的撰寫，積累實際工程的設計調(diào)試經(jīng)驗。

4　貼近工程實際環(huán)境，整合形成綜合項目

PLC控制技術實訓課題中的控制對象雖然已經(jīng)近似于工程實際，但畢竟還是一種模擬的設計方案和調(diào)試過程，尤其是在硬件方面，有很多實際的傳感器、執(zhí)行器因為各種原因只能用按鈕開關、指示燈等來代替。實驗臺上PLC輸入輸出的接線也都已經(jīng)引到面板上，學生只需用安全導線做接插就行了，這就使得學生在硬件線路板的設計、布局、安裝接線這塊的鍛煉缺失了。

為此，常熟理工學院與昆山巨林科教實業(yè)有限公司合作開發(fā)一套柔性組合生產(chǎn)線控制系統(tǒng)作為研究對象，完美地再現(xiàn)了實際工況現(xiàn)場中的自動生產(chǎn)線的工藝過程，在大四下半學期開設工業(yè)自動化技術綜合訓練這樣一門綜合實踐教學課程。每套控制裝置含電氣控制柜、控制對象、計算機等主要設備，其中典型的控制對象有8個，分別是供料搬運組合單元、自動搬運組合單元、旋轉加工及裝配組合單元、物料分揀及循環(huán)組合單元、三軸機械手應用組合單元、立體倉庫應用組合單元、柔性傳輸線及自動上下料組合單元、自動加工及上下料組合單元。根據(jù)作用的不同，每一個控制對象上均裝有不同的傳感器及執(zhí)行機構、步進電機、伺服電機、三相電機等。電氣控制柜上可安裝PLC、變頻器、觸摸屏、繼電器、直流電源、接觸器、熔斷器、伺服驅動器、步進驅動器、端子排等元器件，一切都按照工程實際來布置。學生可以對單一的控制對象設計控制系統(tǒng)，也可以將多個單元組合在一起，形成一條柔性自動化生產(chǎn)線，來進行畢業(yè)設計和創(chuàng)新性訓練。

在本綜合訓練中，學生進入實踐基地后按照訓練項目設計控制系統(tǒng)，根據(jù)設計結果選擇元器件、測試元件，并在電氣控制柜上組裝、接線及調(diào)試。學生需要通過閱讀教材和各元器件相關技術資料來明確項目內(nèi)容、項目要求和項目實施方法，在確定總控制方案基礎上，設計PLC控制程序，繪制電氣原理圖、安裝控制柜；在項目的總體實施計劃下，確定操作步驟與操作方法，設置變頻器參數(shù)及觸摸屏監(jiān)控畫面組態(tài)等。實訓中學生既要掌握工具使用、器材的安裝與元件的檢測方法，還要進行調(diào)試、安全操作、問題分析等實踐訓練。訓練過程中力爭將工程實際的標準、工藝引入教學實踐過程，從圖紙設計的標準畫法到組裝工藝、到調(diào)試規(guī)范，均按照行業(yè)規(guī)范要求進行。

2015年春季學期中，有70多位2011級電氣工程及其自動化專業(yè)的大四學生參加了這個綜合訓練課程，通過訓練，他們的工程實踐能力、工程設計能力和工程創(chuàng)新能力得到鍛煉，獲得成為“準工程師”所應具備的工程技能。

5　提倡因材施教，鼓勵自主學習

在整個實驗—實訓—綜合訓練過程中，由于學生之間學習能力、學習興趣和接受能力的差異，做了不同難易程度的安排。在基本實驗中，一般先安排一個比較簡單的內(nèi)容，然后在此基礎上附加更高的要求作為選做項目提供給學有余力的學生；在綜合型、設計型實驗中，實驗本身就有難易的差異，學生可以根據(jù)自己的情況自主選擇。在實訓和綜合訓練中也是充分給予學生自主權，對于項目控制要求不做硬性規(guī)定，學生可以根據(jù)自己的能力來簡化或增加難度。這樣給予學生足夠的自由，從易到難，在獲得成功的喜悅后，學生的興趣和學習動力進一步提高。

而對于那些更優(yōu)秀的學生，鼓勵他們自主學習，“學好該學的、學習想學的”，并為他們提供多個自主型實驗項目，將實驗室開放，讓他們可以在實驗室中通過不斷實踐，進一步挖掘更深的內(nèi)容，提高自身水平。同時，鼓勵他們加入西門子PLC實踐平臺，進行各種創(chuàng)新性實踐，參加各種學科競賽，通過走出校門參加各種比賽來開闊視野，讓自身的各種能力得到提升。

6　結語

將遞進式的教學模式引入PLC控制技術實踐教學中，由易到難地設置實踐項目，項目組教師共同編寫實驗、實訓指導書，統(tǒng)籌實施，克服傳統(tǒng)課程教學模式的不足，體現(xiàn)了學生的主體地位，轉變了“教與學”的關系。通過改進教學方法，有效激發(fā)學生學習的積極性，學生感覺易入門，對基礎知識的理解也更加深刻，同時進一步提高了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，使動手能力和創(chuàng)新意識得到明顯提高。如表2所示，近幾年的實踐表明教學效果良好，學生對任課教師的教學評價在學院中名列前茅，不少學生利用業(yè)余時間和暑期積極參加“西門子杯”全國大學生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽和電氣控制應用大賽，成績斐然。實踐教學是大學本科教學中一個至關重要的環(huán)節(jié)，如何改革教學內(nèi)容、教學方法，培養(yǎng)出符合企業(yè)與社會需要的高質量人才，是高校教育者面臨的一個恒久的課題，在今后的教學過程中將不斷探索、研究與實踐下去?！?/p>

表2　歷年來學生獲獎情況統(tǒng)計表

［1］蔣立勇，李相銀，徐永祥.分層次遞進式物理實驗教學新模式的實踐［J］.物理工程，2010，20（2）：5-8.

［2］王南蘭，彭琛，陳日新，等.改革實驗教學體系培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神［J］.實驗室研究與探索，2011，30（8）：163-166.

［3］魏克湘，劉迎春，董麗君，等.T程應用型人才培養(yǎng)實踐教學體系的研究與實踐［J］.中國大學教育，2011（1）：52-57.

［4］張洪田．構建開放式實踐教學體系培養(yǎng)T程應用型人才的探索與實踐［J］．中國大學教育，2011（8）：63-68．

［5］王阿根.西門子S7-200PLC編程實例精解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［6］米潔，高宏.遞進式實踐教學模式的探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2012，29（2）：138-140.

［7］熊芳，劉甫.開放性實驗室培養(yǎng)創(chuàng)新人才的實踐與研究［J］.中國科技信息，2013（1）：144.

［8］過希文，李國麗，陳權，等.電氣工程基礎課程實驗教學模式的研究與實踐［J］.中國電力教育，2013（10）：87-88.

［9］陳衛(wèi)增，胡永舉，等.工學結合“分層遞進”式技能實踐教學體系［J］.實驗室研究與探索，2013，32（5）：194-197.

［10］陳東輝，江敏，錢平.電氣工程專業(yè)工程實踐教學體系的構建［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：193-196.

［11］侍壽永.S7-200 PLC編程及應用項目教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［12］龔威，等.實例解讀西門子PLC［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［13］魏玉芬，李雨，等.“四實一體”遞進式立體化教學模式探索［J］.通化師范學院學報：自然科學，2014（6）：69-71. ［14］王萬強.工業(yè)自動化PLC控制系統(tǒng)應用于實訓［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

［15］肖瑩，李宏昭.電氣自動化技術專業(yè)人才培養(yǎng)體系研究［J］.中國電力教育，2014（11）：48-49.

Research on Practical Teaching of PLC Control Technology based on Progressive Teaching Mode//ZOU Ping， LIU Yan， XU Xianzhen，SHAN Changkao

PLC control technology is a professional course with very strong practicality for Automation and Electrical Engineering. By designing the practical teaching contents based on theoretical teaching， orchestrating the contents of experiments， practical trainings and comprehensive trainings， we formed a progressive hierarchical structure of unit-system-application. It helps to promote the application of theory to reality， train the practical ability， and improve the integrated ability of students.

PLC control technology； progressive teaching mode；practical teaching reform

G642.0

B

1671-489X（2016）12-0140-04