陸克

【摘 要】本文分析目前PLC與變頻器教學(xué)技術(shù)設(shè)施和手段的不足，提出利用工業(yè)組態(tài)技術(shù)制作的虛擬設(shè)備動畫模型，能生動形象地與實物PLC、變頻器通信即時互動，彌補目前PLC與變頻器教學(xué)技術(shù)設(shè)施的不足和缺陷。

【關(guān)鍵詞】PLC 變頻器 虛實結(jié)合 項目化教學(xué)

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）05C-0154-02

目前，以可編程控制器（PLC）與變頻器為主體的電氣控制系統(tǒng)日益廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)及日常生活公共設(shè)施等眾多行業(yè)領(lǐng)域，起到關(guān)鍵的控制作用，企業(yè)對此方面人才的需求量和要求程度也日益提高。對于培養(yǎng)電氣自動化技術(shù)人員的理工科院校來說，PLC與變頻器應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)和實訓(xùn)效果水平的提升顯得尤為重要。

一、PLC與變頻器應(yīng)用技術(shù)教學(xué)的特點和現(xiàn)狀

PLC與變頻器一般都有具體的控制對象，比如自動化生產(chǎn)線、機床、電梯等，而現(xiàn)在學(xué)校里的PLC與變頻器的實驗實訓(xùn)設(shè)備大多是實際設(shè)備的模型，雖然能較好展現(xiàn)工業(yè)控制現(xiàn)場，教學(xué)效果好，但存在設(shè)備昂貴、體積大，實訓(xùn)室難以配備多臺，沒足夠的工位給學(xué)生培訓(xùn)；或是配置了一些低成本的PLC實驗箱，雖然可以大量配備，但這種實驗箱沒有真實的被控對象，常用LED亮滅來模擬輸出控制對象動作，演示不形象、不直觀?，F(xiàn)在高職學(xué)生普遍基礎(chǔ)較差，理解能力欠佳，不易理解被控對象的控制過程，很難將程序和工業(yè)的現(xiàn)場聯(lián)系起來，學(xué)生只能憑空想象控制對象動作，在很大程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機仿真技術(shù)日漸成熟和普及，人們可以利用不同的仿真技術(shù)制作出多種形式的虛擬設(shè)備動畫模型，由于形象逼真、色彩豐富、動感十足，學(xué)生普遍很感興趣，應(yīng)用在教學(xué)上，用來演示真實設(shè)備工作的過程，學(xué)生易于理解和接受，并且成本低、不占地方空間，所以可以用它來彌補現(xiàn)有實驗設(shè)備的不足和缺陷。教育部早在2006年《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中提出高等職業(yè)院校要按照教育規(guī)律和市場規(guī)則，要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗；以及在《2011—2020年教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》中提出職業(yè)教育實踐教學(xué)水平應(yīng)顯著提升，要加強實踐教學(xué)，創(chuàng)新仿真實訓(xùn)資源應(yīng)用模式，提高使用效益。虛擬技術(shù)可以在實際設(shè)備、現(xiàn)場難以具備的時候起到很好的替代作用，但是，對于PLC與變頻器應(yīng)用技術(shù)課程，如果只是一味地利用虛擬仿真設(shè)備模型來開展專業(yè)教學(xué)和實訓(xùn)，學(xué)生只是增長了某方面的計算機操作能力，而實際設(shè)備操作、設(shè)置、裝配能力并沒有得到相應(yīng)鍛煉，這樣不能達(dá)到社會的用工標(biāo)準(zhǔn)和要求。所以，虛擬技術(shù)還應(yīng)結(jié)合實際實驗設(shè)備一起來展開教學(xué)，才能取得良好的人才培養(yǎng)效果。

二、虛實結(jié)合教學(xué)模式的構(gòu)建

如何利用虛擬仿真技術(shù)來仿真實際設(shè)備，既讓學(xué)生能夠有直觀的感受，又結(jié)合實驗室設(shè)備實物器件來鍛煉學(xué)生的實際操作裝配能力，這需要構(gòu)建一個虛實結(jié)合的教學(xué)平臺，并制定合理的教學(xué)實施方案。我們課程團隊經(jīng)過調(diào)查分析，選擇了適合的軟件來設(shè)計虛實相結(jié)合的仿真設(shè)備平臺，并制定相配套的的項目化教學(xué)方案，投入到教學(xué)實施實踐，取得了不錯的效果。

（一） 虛實結(jié)合教學(xué)平臺的搭建。目前國內(nèi)也有不少高校將虛擬控制對象運用于電氣、電子應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)與實訓(xùn)，主要有以下三種情況，我們進行了分析比較：

1.直接購買教學(xué)設(shè)備廠商開發(fā)出的仿真軟件來搭建平臺，這種方案優(yōu)點是虛擬設(shè)備和實際實驗設(shè)備互動性好，作為學(xué)校和教師方面也比較省事，買來即用。但是缺點也很明顯，首先是價格昂貴，更重要的是教師在實際應(yīng)用中很難根據(jù)教學(xué)的實際情況或特殊要求，對軟件進行實時更改或再開發(fā)，制約了應(yīng)用效果。

2.還有一些學(xué)校組織教師利用Flash、CorelDraw等軟件開發(fā)仿真系統(tǒng)，這類仿真效果雖然色彩、動畫等方面都很好，但它們也只限于動畫演示，往往只能解決學(xué)生理解設(shè)備動作過程的問題，并不能與電氣、電子工業(yè)設(shè)備進行通訊，無法實現(xiàn)實際設(shè)備和仿真動畫的互動。所以用其作為開發(fā)軟件來設(shè)計虛實結(jié)合的仿真設(shè)備平臺并不理想。

3.另外一些本科、高職院校利用了工業(yè)組態(tài)軟件來設(shè)計仿真電氣、電子的控制對象。工業(yè)組態(tài)軟件是一款工業(yè)級的現(xiàn)場監(jiān)控和過程控制軟件，具有強大、豐富的動畫制作功能，并且能與現(xiàn)場的各種工控設(shè)備包括PLC、變頻器通信連接互動，隨時反映實際設(shè)備的動作情況。制作難度對于從事自動化教學(xué)的教師不算困難。

經(jīng)過以上對比分析，選擇工業(yè)組態(tài)軟件來制作PLC、變頻器的仿真控制對象是比較理想的。接下來我們采用比較流行的組態(tài)軟件“組態(tài)王”軟件在課余時間制作電腦仿真動畫模型，制作的虛擬設(shè)備模型項目有：工作臺自動往返運行；運料小車變頻自動往返運行；十字路口交通燈控制；動感噴泉噴泉PLC＼變頻控制；感應(yīng)自動門PLC＼變頻控制。

在實體設(shè)備方面，我們采用的PLC與變頻器實訓(xùn)臺，體積不大，一間實訓(xùn)室可配備十幾臺，每個實訓(xùn)臺上的設(shè)備實物單元包括西門子S7-200PLC控制器、西門子MM440變頻器、輸入開關(guān)＼按鈕單元、輸出繼電器單元、輸出接觸器單元、三相交流異步電動機單元，每個實訓(xùn)臺都配有一臺電腦來儲存和演示虛擬動畫設(shè)備模型。這樣構(gòu)成了虛實結(jié)合的PLC與變頻器綜合實訓(xùn)平臺。

（二）實施方案設(shè)計。在本課題研究之前，我們教學(xué)團隊已對該課程實施了項目化改革，取得了良好效果，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)課程項目化依靠實際工程項目展開教學(xué)的特點，我們進行了如下虛實結(jié)合的設(shè)計：

1.在教學(xué)項目引入時，利用設(shè)計好的虛擬仿真設(shè)備模型進行動畫演示設(shè)備的動作過程，給學(xué)生一個形象的展示，讓學(xué)生從生動的動畫畫面中了解控制的要求。

2.進行項目相關(guān)知識點和技能點培訓(xùn)，對相關(guān)知識點和技能點進行講解，利用PLC與變頻器實訓(xùn)臺上的設(shè)備實物器件對學(xué)生進行實際動手訓(xùn)練。

3.項目調(diào)試階段，學(xué)生掌握相關(guān)知識、技能之后進行項目任務(wù)的完成，要求在實訓(xùn)臺上對設(shè)備實物器件進行電氣接線，進行設(shè)備調(diào)試，在調(diào)試過程中，學(xué)生可以利用PLC的輸入輸出實物器件的動作來檢驗PLC程序、變頻器參數(shù)是否正確，也可以聯(lián)接虛擬仿真模型來檢驗。

4.在項目驗收階段，教師利用虛擬的計算機動畫仿真模型結(jié)合實訓(xùn)臺實物器件來驗收，要求做到相應(yīng)的實物器件動作正確，仿真動畫也動作正確，則說明學(xué)生接線正確，程序調(diào)試到達(dá)控制要求。

（三）實施效果對比觀察。經(jīng)過充分的準(zhǔn)備，進到實施階段，我們采用了對比實驗的方法來觀察實踐效果：一部分班級采用虛實結(jié)合的方法進行教學(xué)（以下稱為實驗班），另一個班級則沒有采用，還是原有方式（以下稱為非實驗班）。

首先，一開始在項目的引入上，在實驗班我們通過多媒體投影將計算機動畫仿真在課堂上演示，例如小車變頻變速動畫，小車速度的變化效果生動形象，學(xué)生的注意力和興趣一下子被吸引上來。而非實驗班主要靠教師借助PPT和圖片來講解，學(xué)生反應(yīng)則沒有這么強烈，部分學(xué)生沒能關(guān)注到老師講解的內(nèi)容上。

接下來的教學(xué)，實驗班所表現(xiàn)的學(xué)習(xí)熱情和積極性明顯強于非實驗班，他們能更積極地學(xué)習(xí)項目所需的知識，更主動地投入各項訓(xùn)練，所以教學(xué)進展得更為順利。

在進行到項目調(diào)試階段，實驗班對于控制要求的疑問明顯要少于非實驗班。由于調(diào)試過程中會有各種各樣意料不到的情況和結(jié)果發(fā)生，非實驗班對控制要求上的疑問無法自行解決，經(jīng)常會向老師反復(fù)提出，而實驗班在遇到問題時往往能通過反復(fù)觀察動畫仿真演示來進一步理解控制要求，并且理解得比較準(zhǔn)確、到位。相比之下，采用虛實結(jié)合的方式教師不需要花太多時間去解釋和分析控制要求，可以有更多時間用在協(xié)助指導(dǎo)后進的學(xué)習(xí)小組。

在項目驗收階段，實驗班教師用仿真軟件的PLC聯(lián)機控制畫面來驗收學(xué)生項目調(diào)試成果，是否能達(dá)到控制要求，通過畫面的動作很容易判斷學(xué)生們調(diào)試的程序是否達(dá)到要求，對于沒有達(dá)到控制要求的，通過切換到演示畫面進行對比，很容易就讓學(xué)生信服與控制要求的差距。非實驗班教師在驗收時則比較麻煩，首先需要靠試驗臺上的指示燈亮滅來推想設(shè)備的動作，這樣相比之下就得多花費一些時間。其次在一些比較復(fù)雜的控制問題上，沒有虛擬動畫的演示則需要靠大量文字來描述控制要求，而高職學(xué)生普遍對文字理解能力不強，容易產(chǎn)生偏差，調(diào)試的成果與控制要求不符，往往容易和老師產(chǎn)生爭議。就算教師花了很大精力來解釋和說服，也不一定能做到讓學(xué)生真正理解和信服，這樣就影響了學(xué)生對老師的信任感。

經(jīng)過一個階段的對比試驗，收到了明顯的效果，可以看到采用虛實結(jié)合模式的班級，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、積極性得到更大提高，對復(fù)雜的控制要求更容易理解和把握，學(xué)習(xí)成績明顯高于沒有采用的班級，同時他們的動手裝配能力得到很好的鍛煉。學(xué)生在同期的各級技能競賽、創(chuàng)新項目設(shè)計中獲得了多項優(yōu)異成績。

采用基于工業(yè)組態(tài)技術(shù)的虛實結(jié)合的項目化教學(xué)模式將虛擬仿真動畫設(shè)備模型與實驗設(shè)備實物有機結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補；利用工業(yè)組態(tài)技術(shù)能模擬出多種PLC控制對象，把不容易在教學(xué)環(huán)境中展示的自動化生產(chǎn)線、自動化設(shè)備生動地呈現(xiàn)，而且內(nèi)容擴展更新也極為方便。這樣不僅可以大幅降低教學(xué)設(shè)備投入成本，又可以豐富學(xué)生的課堂內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣及主動學(xué)習(xí)的熱情；結(jié)合實驗設(shè)備實物器件，能很好地鍛煉學(xué)生的實際動手操作能力。該模式對于PLC與變頻器應(yīng)用技術(shù)教學(xué)效果起到很好的幫助和提升，在增強和促進教學(xué)質(zhì)量提高方面具有積極的意義。

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【作者簡介】陸 克（1973— ），男，廣西南寧人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級工程師，研究方向：電氣自動化工程維修、設(shè)計和教學(xué)。

（責(zé)編 丁 夢）