徐鹿眉，王希鳳,喬　爽，李　萍，宋起超

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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依托實訓(xùn)基地的PLC課程改革

徐鹿眉，王希鳳,喬爽，李萍，宋起超

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

電氣控制與PLC技術(shù)課程是大學(xué)電氣類相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，實踐性非常強，課程內(nèi)容與新產(chǎn)品和新技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，這就要求在授課過程中必須與實訓(xùn)基地相結(jié)合，重點是提高學(xué)生系統(tǒng)的工程思維、熟練的操作技能和過硬的設(shè)計能力，注重在PLC課程教學(xué)過程中對學(xué)生進(jìn)行工程理念的培養(yǎng)。

可編程序控制器(PLC);實訓(xùn)基地;課程改革

1　PLC課程的內(nèi)容和特點

本科層次工程師的培養(yǎng)目標(biāo)是勝任在現(xiàn)場從事產(chǎn)品的生產(chǎn)、營銷和服務(wù)或工程項目的施工、運行和維護(hù)[1]。PLC課程依據(jù)我校電氣專業(yè)教學(xué)和就業(yè)特點，針對工程項目的施工、運行和維護(hù)方面進(jìn)行相應(yīng)的課程改革。針對本科工程教育認(rèn)證所強調(diào)的復(fù)雜電氣工程問題，課程要求學(xué)習(xí)完成相關(guān)內(nèi)容后進(jìn)行復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1.1PLC課程內(nèi)容及特點

PLC理論課程內(nèi)容與實踐環(huán)節(jié)對照圖，如圖1所示。以PLC技術(shù)課程為核心，整合圖中三項實踐環(huán)節(jié)為一門工業(yè)控制系統(tǒng)實踐課程，將實驗及工程應(yīng)用實踐環(huán)節(jié)有機地結(jié)合到PLC課程教學(xué)中。PLC課程總的特點是：PLC課程實踐性強，課程內(nèi)容緊跟工程實際，新技術(shù)、新元件不斷涌現(xiàn)，課程與學(xué)生畢業(yè)設(shè)計直接相關(guān)。課程與學(xué)生就業(yè)方向聯(lián)系緊密，是學(xué)生將來工作應(yīng)用的主要技術(shù)[2]。

圖1　PLC理論課程內(nèi)容與實踐環(huán)節(jié)對照

1.2PLC相關(guān)課程改革相對應(yīng)的能力目標(biāo)

理論課程能力目標(biāo)：學(xué)會應(yīng)用低壓電器元件，具備簡單電氣控制線路的分析能力；應(yīng)用S7-200PLC設(shè)計簡單的PLC控制系統(tǒng)能力；應(yīng)用S7-300PLC設(shè)計復(fù)雜PLC控制系統(tǒng)能力。具備應(yīng)用PLC軟、硬件進(jìn)行仿真、實驗?zāi)芰?；在實驗和設(shè)計等過程中增強互相交流和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。

實踐課程能力目標(biāo)：學(xué)會編程軟件STEP7 的使用和硬件組態(tài)，具備PLCSIM等仿真軟件應(yīng)用能力，具備WINCC flexible組態(tài)軟件的應(yīng)用能力；具備控制程序和組態(tài)界面的仿真與調(diào)試能力。具備PLC實驗臺和觸摸屏的動手操作能力；能夠運用PLC技術(shù)相關(guān)知識解決簡單的工業(yè)控制系統(tǒng)問題，具有設(shè)計復(fù)雜PLC控制系統(tǒng)的能力；熟悉硬件圖的繪制和實習(xí)報告的編寫工作，具有撰寫報告和繪圖能力；在小組分工合作中具有團(tuán)隊精神，有良好的社交能力和溝通能力。

2　西門子自動化實訓(xùn)室對課程的支撐作用

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”作為《國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020)》組織實施的一項重大項目,旨在全面提高我國工程人才培養(yǎng)質(zhì)量,培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高素質(zhì)各類型工程技術(shù)人才[3]。針對“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”要求，學(xué)院與西門子中國公司共建自動化聯(lián)合實訓(xùn)室。有了這個校內(nèi)實訓(xùn)基地，對提高學(xué)生工程實踐能力起到極大的促進(jìn)作用。實訓(xùn)基地已經(jīng)建設(shè)完成，擁有配套的先進(jìn)設(shè)備，現(xiàn)有S7-200PLC實驗箱16臺，S7-200PLC CPU224XP實驗臺11臺，安全型控制系統(tǒng)S7-300F 10套，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)S7-400H 1套，運動控制系統(tǒng)S7-300T 1套，過程控制系統(tǒng)PCS7 BOX 1套，還有變頻器、交流電機、步進(jìn)電機和直流電機等電器元件，以及電梯、機械手、運料小車和加熱爐等被控對象。實訓(xùn)基地內(nèi)的設(shè)備可以滿足PLC課程中復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)設(shè)計所要求的實物基礎(chǔ)，學(xué)生們依托實訓(xùn)基地設(shè)計出的PLC控制系統(tǒng)就是本科工程教育認(rèn)證所強調(diào)的產(chǎn)品。

3　將PLC課程與PLC實訓(xùn)基地結(jié)合促進(jìn)課程改革

實訓(xùn)基地建成后，在PLC課程教學(xué)過程中，將教學(xué)內(nèi)容與PLC實訓(xùn)基地相結(jié)合，使學(xué)生慢慢接受工程教育理念，這是個淺移默化的過程，不可能一蹴而就。以前是僅有PLC實驗和實習(xí)等課程在實訓(xùn)室基地開設(shè)，現(xiàn)在是PLC理論課程教室也開設(shè)在實訓(xùn)基地內(nèi)。本文從以下6個方面對PLC課程如何依托實訓(xùn)基地促進(jìn)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)進(jìn)行探討，這6個方面也是解決復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)設(shè)計問題的核心要素。

3.1使學(xué)生建立系統(tǒng)工程思維

本科工程教育認(rèn)證所強調(diào)的解決復(fù)雜電氣工程問題，建立系統(tǒng)工程思維首當(dāng)其沖，這是設(shè)計復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)的前提。實訓(xùn)基地內(nèi)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是按照實際食品生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和安裝的，不同之處是比實際生產(chǎn)線功能簡單?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)線系統(tǒng)都是基于各種層次網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，工業(yè)自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。圖中S7-200PLC系統(tǒng)是單臺生產(chǎn)機械控制系統(tǒng)，為電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。S7-300PLC系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，基于PROFIBUS現(xiàn)場總線。PC機作為管理計算機，通過工業(yè)以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)整個工廠或車間的生產(chǎn)自動化控制。讓學(xué)生在第一堂理論課上就能夠清楚地知道PLC的具體應(yīng)用情況，隨著教學(xué)的深入，讓學(xué)生從S7-200PLC小型控制系統(tǒng)逐漸過渡到大型工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，這也是當(dāng)今工業(yè)控制發(fā)展的必然趨勢。這樣使學(xué)生知道將來自己走上工作崗位面對的不只是單臺的生產(chǎn)機械，在“工業(yè)4.0”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，工作中面對更多的是網(wǎng)絡(luò)化的大系統(tǒng)，并且PLC可以在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖2　工業(yè)自動化系統(tǒng)組成

3.2培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)道德和責(zé)任心

從大學(xué)時期就要樹立職業(yè)道德，要有責(zé)任心，體現(xiàn)在復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中主要包括安全、環(huán)保和質(zhì)量三方面，其中安全方面又包括人員安全、設(shè)備安全和產(chǎn)品安全。PLC課程內(nèi)容與安全、環(huán)保和質(zhì)量息息相關(guān)。硬件電路設(shè)計中安全保護(hù)和控制是同等重要的，沒有完善的安全保障的電路對于控制來說是毫無意義的。實訓(xùn)基地生產(chǎn)線控制系統(tǒng)有4個控制柜，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中PLC主站應(yīng)用的大型S7-400PLC，必須進(jìn)行冗余設(shè)計。2臺412H PLC主機安裝在現(xiàn)場，一臺工作，另一臺備用，工作機出故障后備用機立即接替其工作，從而保障生產(chǎn)線安全運行。系統(tǒng)中控制生產(chǎn)線傳送帶等功能的315F系列 PLC是故障安全型PLC，主要是為提高生產(chǎn)線運動控制的可靠性方面專門設(shè)計的，這完全是為提高設(shè)備和產(chǎn)品安全性考慮的。節(jié)能環(huán)保是國家長期發(fā)展戰(zhàn)略，新型PLC產(chǎn)品在節(jié)能環(huán)保方面也增加了比較多的相關(guān)設(shè)計。質(zhì)量是產(chǎn)品生存的關(guān)鍵，PLC設(shè)備在抗干擾和可靠性方面具有獨特的優(yōu)勢。綜合這幾方面，結(jié)合實訓(xùn)基地現(xiàn)有設(shè)備，加強學(xué)生職業(yè)道德和責(zé)任心方面的教育，為畢業(yè)后走上工作崗位做好準(zhǔn)備。

3.3培養(yǎng)學(xué)生樹立終身學(xué)習(xí)的觀念

PLC自上世紀(jì)七十年代產(chǎn)生以來，其定義進(jìn)行了多次改變，國際電工委員會已發(fā)表了四稿定義，主要是因為其功能的不斷增強。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC的功能變化非常大。圖3是PLC發(fā)展示意，從中可以看出PLC在這四十年間功能不斷變化的趨勢。實訓(xùn)基地內(nèi)的PLC產(chǎn)品系列全，臺組數(shù)多，有早期的CPU224，后來的增強型CPU224XP，這兩種是小型PLC。還有中型PLC CPU315F和CPU315D，前者主要用于安全級別高的控制系統(tǒng)，后者主要用于運動控制系統(tǒng)。大型PLC CPU412H以及由其為主要硬件組成的PCS7過程控制系統(tǒng)。通過實訓(xùn)基地這么多PLC產(chǎn)品展示，能讓學(xué)生充分認(rèn)識到，復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)設(shè)計是從學(xué)習(xí)PLC課程開始一直到將來工作多年之后都要做的事情。學(xué)習(xí)了某一種PLC后不能停滯不前，在今后的學(xué)習(xí)或者工作中要緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢，密切注意新產(chǎn)品的動向，注意自身知識的更新。

圖3　PLC發(fā)展示意

3.4培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神

工程教育培養(yǎng)出來的學(xué)生應(yīng)是具備終身學(xué)習(xí)和團(tuán)隊交流能力，有專業(yè)技能和工程能力、社會意識的工程師，將來能夠在工作的工程團(tuán)隊中發(fā)揮相應(yīng)作用，這些正是我們對工程類人才提出的要求。[5]復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)設(shè)計一個人是不可能完成的，組成團(tuán)隊進(jìn)行合作是必然要求。PLC課程所對應(yīng)的3個實踐環(huán)節(jié)，要求6名學(xué)生組成一大組，其中每2人再組成一個小組，進(jìn)行查資料、設(shè)計、繪圖、編程、安裝、接線和調(diào)試等工作。實踐過程中學(xué)生們要進(jìn)行明確而細(xì)致的分工，分工結(jié)束之后還要進(jìn)行密切地合作，只有這樣才能保質(zhì)保量地完成任務(wù)。設(shè)計完成后，在實訓(xùn)基地的相關(guān)設(shè)備上進(jìn)行調(diào)試。簡單的PLC實驗臺至少需要2名同學(xué)進(jìn)行調(diào)試操作。像生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，主控制計算機、400PLC冗余控制柜和2臺300PLC控制柜需要4名學(xué)生，加上生產(chǎn)線操作一共需要5名同學(xué)合作完成調(diào)試。將來的工作中，PLC系統(tǒng)涉及工藝和設(shè)備等多方面工作，團(tuán)隊人員分工圖如圖4所示。要讓學(xué)生明白團(tuán)隊協(xié)作在工作中的重要性，認(rèn)識到在將來的工作中更加需要具有團(tuán)隊合作精神。

圖4團(tuán)隊人員分工

3.5培養(yǎng)學(xué)生綜合運用技能、技術(shù)和現(xiàn)代工具解決問題的能力

PLC技術(shù)是本專業(yè)學(xué)生必須掌握的一項重要的技術(shù)，圍繞PLC技術(shù)學(xué)生要學(xué)會多種技能，如PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計、梯形圖編程、組態(tài)設(shè)計、實驗設(shè)備操作、控制程序仿真等,實訓(xùn)基地安裝了設(shè)計中常用的軟件如AutoCAD、Visio、STEP-7、WinCC、PLCSIM和PCS7等軟件。PLC系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用的軟件及功能見表1，學(xué)會應(yīng)用這些軟件不僅有助于學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計，在將來工作中這些軟件更是必不可少的。復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)設(shè)計過程中仿真是必要的手段，往往可以達(dá)到事半功倍的效果。S7-200仿真軟件專門用于S7-200PLC程序仿真，PLCSIM專門用于S7-300/400PLC程序仿

真。WINCC flexible組態(tài)軟件在沒有觸摸屏?xí)r也可以在計算機上模擬運行，進(jìn)行按鈕、輸入輸出域和趨勢圖等仿真。這幾種仿真軟件圖形界面優(yōu)良，仿真功能強大。最值得一提的是STEP-7編程軟件、PLCSIM仿真軟件和WINCC flexible組態(tài)軟件三者聯(lián)調(diào)，在不用PLC和TP177B情況下，學(xué)生在自己的電腦上即可完成大部分程序和界面的仿真、調(diào)試工作。這樣增強了實驗項目的靈活性和可操作性，學(xué)生可不拘泥于現(xiàn)有設(shè)備而進(jìn)行大膽的設(shè)計，大大提高了學(xué)生控制系統(tǒng)設(shè)計能力。

表1　PLC系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用的軟件及功能

3.6培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行實驗和探索知識的能力

PLC控制技術(shù)作為一門專業(yè)性和實踐性非常強的學(xué)科,學(xué)生的實踐操作能力是檢驗學(xué)生是否學(xué)好該門課程的核心標(biāo)準(zhǔn)[6]。在新的實驗教學(xué)體系下，實驗教學(xué)的方法與手段也要進(jìn)行同步更新和升級[7]。PLC課程實驗應(yīng)用S7-200和S7-300兩種PLC開展綜合設(shè)計性實驗，學(xué)生依據(jù)實驗指導(dǎo)書要求進(jìn)行方案選擇，確定好系統(tǒng)控制方案后進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計必須在實訓(xùn)基地現(xiàn)有設(shè)備條件下進(jìn)行，這就要求學(xué)生根據(jù)已有條件發(fā)揮自己想象，最大限度地滿足實驗要求。軟件設(shè)計方面靈活性更大些，現(xiàn)有的仿真軟件可以更好地滿足設(shè)計要求。PLC任務(wù)的實施能否成功，關(guān)鍵在于程序的反復(fù)調(diào)試和運行[8]。復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計好硬件和軟件，做好硬件組態(tài)和圖形界面組態(tài)設(shè)計之后進(jìn)行仿真，仿真調(diào)試通過以后到實訓(xùn)基地設(shè)備上進(jìn)行模擬現(xiàn)場調(diào)試實驗。通過軟件和硬件實驗，可使設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)的功能更接近于工業(yè)現(xiàn)場。

在相關(guān)校內(nèi)實踐課程的基礎(chǔ)上，能力稍強的同學(xué)可參加校內(nèi)的PLC大賽，主要是應(yīng)用300PLC實驗臺進(jìn)行運動控制相關(guān)的設(shè)計、仿真和調(diào)試。西門子公司每年組織全國性的工控大賽，主要項目有應(yīng)用S7-1200 PLC和博圖軟件進(jìn)行邏輯控制，應(yīng)用PCS7進(jìn)行過程控制。這對學(xué)生的相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計、工程軟件的應(yīng)用和設(shè)備的操作等方面綜合能力要求更高一些。以工程教育模式為指導(dǎo),遵循高等教育的規(guī)律和適應(yīng)現(xiàn)代高等教育發(fā)展的趨勢,注重素質(zhì)教育,重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和個性發(fā)展,全面因材施教。[9]這樣可針對不同層次、不同需求和不同興趣愛好的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，更好地提高教學(xué)工作的針對性。學(xué)生在基地成立工控協(xié)會，定期舉辦培訓(xùn)和比賽等，這樣可以鍛煉并提高學(xué)生的各方面綜合能力，依托實訓(xùn)基地可最大限度地滿足教師和學(xué)生的需求。

4　結(jié)　論

工程專業(yè)文化精神的滲透是基于工程教育觀念的一種實質(zhì)性轉(zhuǎn)變[10]。PLC課程教學(xué)過程中充分發(fā)揮實訓(xùn)基地的作用，在理論課和實踐課利用基地的基礎(chǔ)上，課余時間基地也免費向?qū)W生開放。實訓(xùn)基地建成兩年多以來，電氣、自動化和測控三個專業(yè)的三個年級一共15個班，通過上課時間和學(xué)生業(yè)余時間在基地進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí)和設(shè)計，學(xué)生們很好地完成了復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。這也是本科工程教育認(rèn)證和建設(shè)工程技術(shù)型大學(xué)的要求。

[1]吳文輝.論卓越工程師的工程精神和工程意識 [J].長春理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2010(7):125-127.

[2]徐鹿眉,王希鳳,喬爽.PLC理論與工程實踐結(jié)合教學(xué)方法研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報,2015(5):77-80.

[4]林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”學(xué)校工作方案研究[J].高等工程教育研究，2010(5):25-27.

[5]張璇，李彤.結(jié)合CDIO教育理念與案例教學(xué)進(jìn)行教學(xué)探索與實踐 [J].教育與教學(xué)研究，2008(24):155-157.

[6]徐立劍.PLC控制技術(shù)實驗教學(xué)改革的研究與探索[J].電子制作,2014(14):101-103.

[7]李彤等.基于SE-CDIO的實驗教學(xué)探索與實踐[J].工業(yè)信息化教育,2013(5):54-60.

[8]龔秋萍.PLC實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題與對策[J].職業(yè)教育研究,2010(11):109-110.

[9]張慧平，戴波，劉娜，等.基于CDIO 教育理念的自動化課程的改革與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009(31):138-141.

[責(zé)任編輯：路曉鴿]

Discussion on the reform of PLC curriculum relying on training base

XU Lumei,WANG Xifeng,QIAO Shuang,LI Ping,SONG Qichao

(College of Electrical and Information Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050，China)

Electrical control and PLC technology course is an important course of electrical engineering in the university,which practicality is demanding.The course content is closely related to the development of new product and new technology.This requires the teaching process be combined with the training base.The focus is to improve the students’ system of engineering thinking,skilled operating skills and excellent design ability,and so to pay attention to the cultivation of students' engineering ideas in the course of PLC teaching.

programmable logic controller (PLC); training base; curriculum reform

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.021

2016-04-19

黑龍江工程學(xué)院教育教學(xué)改革工程項目(JG2014080)

徐鹿眉(1975-)，男，講師，研究方向：PLC，電機控制.

TM571.61

A

1671-4679(2016)05-0077-04