陳毓莉，陳松茂，楊林豐，羅婕

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510640)

0 引言

可編程控制器(PLC)是現(xiàn)代工業(yè)控制的重要支柱,融合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù), 具有可靠性高、穩(wěn)定性好和實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn), PLC已成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主導(dǎo)產(chǎn)品[1]。作為高校工程訓(xùn)練課程主要實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容之一，PLC實(shí)訓(xùn)的重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用的能力，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著極其重要的作用[2]。傳統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用教師口頭講解實(shí)驗(yàn)原理和方法、學(xué)生動(dòng)手訓(xùn)練過(guò)程中教師輔助指導(dǎo)的模式，這種傳統(tǒng)的模式缺乏生動(dòng)性、直觀(guān)性和互動(dòng)性[3]。而PLC具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用性質(zhì),往往受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏、實(shí)驗(yàn)成本高、存在安全風(fēng)險(xiǎn)、調(diào)試不方便等因素的限制，使得培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力受到了一定的制約。建立經(jīng)濟(jì)靈活又形象直觀(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為提高PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要途徑[4-5]。虛擬仿真技術(shù)可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界的事物和環(huán)境,有利于培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實(shí)踐能力[6], 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。三菱訓(xùn)練軟件FX-TRN-BEG-CL 以其專(zhuān)業(yè)的仿真壞境，直觀(guān)的調(diào)試效果[7]，非常適用于PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)。運(yùn)用三菱FX-TRN-BEG-CL虛擬仿真軟件和GX Developer 編程軟件編程，提出一種虛實(shí)結(jié)合的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究及實(shí)踐，探討提高PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的新舉措。

1 虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式

工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練項(xiàng)目學(xué)時(shí)是一天7學(xué)時(shí)，面向全校未接觸過(guò)PLC的理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)二年級(jí)本科生。因此在講授PLC實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，根據(jù)其具體情況，探討如何從“零”開(kāi)始“深入淺出”將知識(shí)以一種通俗易懂的方式授予學(xué)生,使學(xué)生樂(lè)于學(xué)習(xí)易于接受是教學(xué)的難點(diǎn)。由于PLC課程的實(shí)踐性強(qiáng),因此通過(guò)虛擬仿真軟件，在教學(xué)實(shí)踐中穿插播放一些實(shí)際工程運(yùn)用例子,生動(dòng)形象地使學(xué)生把所學(xué)知識(shí)與工程實(shí)踐聯(lián)系起來(lái),明確“學(xué)以致用”的道理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[8]。以運(yùn)用三菱FX-TRN-BEG-CL虛擬仿真軟件和GX Developer編程軟件編程為工具，開(kāi)展PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)流程圖

1.1 基礎(chǔ)理論講解

作為工程訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有別于理論課程，也有別于其他專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，但對(duì)于“零基礎(chǔ)”的本科生，需要講解一些硬件方面的知識(shí)點(diǎn)，并結(jié)合氣壓傳動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)講解PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理等。介紹PLC是一種以邏輯和順序方式控制機(jī)器動(dòng)作的控制器，PLC主要可以分為輸入輸出端子，輸入輸出的關(guān)系見(jiàn)圖2。輸入輸出設(shè)備信號(hào)分類(lèi)見(jiàn)表1。同時(shí)通過(guò)演示運(yùn)行實(shí)驗(yàn)室里的物料分揀設(shè)備，讓學(xué)生能夠親自接觸到PLC的實(shí)體，了解輸入輸出接口的編號(hào)、各設(shè)備信號(hào)的接線(xiàn)和指示燈等。演示后，讓學(xué)生親自操作設(shè)備找出幾個(gè)輸入輸出設(shè)備信號(hào)的編號(hào)，加深學(xué)生對(duì)PLC知識(shí)的理解。

圖2 輸入輸出的關(guān)系

項(xiàng)目設(shè)備分類(lèi)實(shí)例輸入(X)操作者控制的設(shè)備開(kāi)關(guān)、按鈕、控制面板等檢測(cè)機(jī)械狀態(tài)的設(shè)備傳感器等輸出(Y)顯示機(jī)械狀態(tài)的設(shè)備指示燈、轟鳴器、閃爍燈等執(zhí)行工作的設(shè)備電機(jī)、電磁閥等

1.2 軟件入門(mén)講解

由于學(xué)時(shí)有限，為了使學(xué)生更加高效地從“零基礎(chǔ)”開(kāi)始學(xué)習(xí)運(yùn)用三菱FX-TRN-BEG-CL虛擬仿真軟件和GX Developer編程軟件編程，適當(dāng)?shù)刂v解軟件的入門(mén)，解釋軟件里培訓(xùn)畫(huà)面的配置，演示基本使用方法，由易到難地講解編程指令輸入等。講解開(kāi)始階段可以按照索引窗口中指導(dǎo)學(xué)習(xí)的方法和學(xué)習(xí)步驟，一步一步來(lái)做，熟練后可以利用已知的指令對(duì)模擬的動(dòng)作加以擴(kuò)展。例如通過(guò)通俗易懂的方式，從設(shè)定任務(wù)要求、輸入輸出端口分配、程序編寫(xiě)思路、調(diào)試仿真結(jié)果等全過(guò)程進(jìn)行演示講解，讓學(xué)生對(duì)軟件的使用有個(gè)全面的了解，提高學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)軟件的興趣和效率。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，通過(guò)學(xué)習(xí)仿真軟件可以快速高效地學(xué)會(huì)編程，達(dá)到事半功倍的效果。

1.3 案例講解應(yīng)用技巧

案例的講解過(guò)程，要遵循內(nèi)容循序漸進(jìn)。通過(guò)通俗易懂的表達(dá)方式，甚至有時(shí)還可用幽默的方式與學(xué)生互動(dòng)，速度要適中，適當(dāng)“留白”，給予學(xué)生思考的時(shí)間，可以用啟發(fā)式提問(wèn)以及分析解答提問(wèn)，找出合適的方法解決問(wèn)題，并通過(guò)3D仿真動(dòng)畫(huà)形象生動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)，激發(fā)學(xué)生的好奇心，活躍授課氛圍, 使學(xué)生在寬松愉快的環(huán)境中學(xué)習(xí)和思考。

例如講解B-2模塊中的鎖存輸出例子，3-D仿真動(dòng)畫(huà)見(jiàn)圖3，控制面板見(jiàn)圖4。

圖3 3-D仿真圖

圖4 控制面板

編譯程序1見(jiàn)圖5。

圖5 程序1

該程序運(yùn)行的效果是：按下X20按鈕后，Y0運(yùn)行燈會(huì)亮，但是松開(kāi)X20按鈕后，Y0運(yùn)行燈會(huì)滅。此時(shí)就可以邊操作配合手勢(shì)邊向?qū)W生提問(wèn)：“大家看，一按就亮，一松就滅，難道要找個(gè)東西一直壓著它？如果在實(shí)際應(yīng)用中，這樣可行嗎？”此時(shí)學(xué)生一般會(huì)下意識(shí)地?fù)u頭，接著繼續(xù)問(wèn)：“那該怎么辦，程序該怎么寫(xiě)才能一按就保存設(shè)備持續(xù)運(yùn)行？” 接下來(lái)給予學(xué)生適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行思考，同時(shí)鼓勵(lì)他們大膽開(kāi)動(dòng)腦筋，提出辦法，不怕錯(cuò)誤。此時(shí)通常學(xué)生會(huì)認(rèn)真思考，會(huì)提出一些辦法，如不可行，也要分析解釋清楚，并表?yè)P(yáng)他們的積極思考，如可行，應(yīng)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)思考后，給出標(biāo)準(zhǔn)程序2見(jiàn)圖6。

圖6 程序2

此程序一出，學(xué)生馬上就豁然開(kāi)朗地點(diǎn)點(diǎn)頭“哦”，并會(huì)意地笑，表情也放松下來(lái)。此時(shí)也可以借機(jī)插入說(shuō)明Y指令是可以編譯在輸入的，但X指令不能編譯在輸出。經(jīng)過(guò)此過(guò)程后，學(xué)生對(duì)該指令的理解會(huì)更深刻。

1.4 分層案例教學(xué)法

經(jīng)過(guò)適當(dāng)理論知識(shí)和仿真軟件的入門(mén)案例講解(約1個(gè)學(xué)時(shí))后，學(xué)生已有一定的基礎(chǔ)和興趣，接著以案例教學(xué)法的方式指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，在全程中老師要巡回跟蹤指導(dǎo)、啟發(fā)答疑，做到張弛有度、心中有數(shù)?；诮?gòu)主義學(xué)習(xí)理論，遵循學(xué)生的認(rèn)知心理規(guī)律[9-11]，根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)，學(xué)生在智力、編程能力和興趣上的差異，采取“因材施教”的分層案例教學(xué)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)[12]，而仿真軟件提供了一個(gè)分層實(shí)驗(yàn)的良好平臺(tái)。在軟件中挑選一些符合學(xué)生心智水平，貼近現(xiàn)實(shí)生活的案例，并由易到難安排學(xué)生開(kāi)展學(xué)習(xí)。例如在餐廳呼叫控制、交通信號(hào)燈控制、自動(dòng)門(mén)操作控制等逐步加深案例。學(xué)生也可以根據(jù)所學(xué)知識(shí)，自己設(shè)計(jì)案例。另外, 對(duì)于較復(fù)雜的案例，可以采用小組合作的教學(xué)形式完成。學(xué)生各取所需, 各有所獲, 自由發(fā)揮，這樣既提升了學(xué)生的自信心, 拓展了學(xué)生的創(chuàng)造思維，又培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

2 教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

在學(xué)生具備一定的仿真編程能力基礎(chǔ)上，將仿真編程軟件上已通過(guò)仿真正確的程序進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)GX Developer編程軟件導(dǎo)出程序到PLC中，進(jìn)行實(shí)際操作驗(yàn)證。以交通信號(hào)燈的控制為例，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的亞龍YL-337A型可編程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師綜合實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證，將該設(shè)備的控制面板作為交通燈控制面板(圖7)，運(yùn)用該設(shè)備原有的PLC。

圖7 交通燈控制面板

2.1 任務(wù)要求

1) 當(dāng)按下操作面板上的[SB1](X20)時(shí)，進(jìn)程開(kāi)始。

2) 圖8中紅信號(hào)燈HL3(Y17)點(diǎn)亮10 s。

3) 紅信號(hào)燈點(diǎn)亮10 s后熄滅，黃信號(hào)燈[HL1](Y15)點(diǎn)亮5 s。

4) 黃信號(hào)燈點(diǎn)亮5 s后熄滅，綠信號(hào)燈[HL2](Y16)點(diǎn)亮10 s。

5) 綠信號(hào)燈點(diǎn)亮10 s后熄滅。

6) 重復(fù)以上2)起的動(dòng)作。

2.2 編譯程序

交通信號(hào)燈的控制程序見(jiàn)圖8。

圖8 交通信號(hào)燈的控制程序

學(xué)生通過(guò)GX Developer編程軟件導(dǎo)出程序到PLC中，進(jìn)行實(shí)際操作驗(yàn)證，真正實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，并真實(shí)地完成了整個(gè)控制操作過(guò)程，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

通過(guò)采用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)展PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)效果提高顯著。在教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)與學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)交流、批閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告和學(xué)習(xí)心得體會(huì)，能夠真實(shí)感受到學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)課的滿(mǎn)意度。學(xué)生對(duì)本課程的興趣普遍提高，享受到學(xué)習(xí)的過(guò)程緊張且富有挑戰(zhàn)性，擴(kuò)展了知識(shí)面，拓寬了眼界，鍛煉了邏輯推理和縝密思維能力。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成質(zhì)量顯著提高。圖9為實(shí)施了虛擬仿真教學(xué)的2015年某專(zhuān)業(yè)本科生考核成績(jī)與未實(shí)施該教學(xué)方法的2014年某專(zhuān)業(yè)本科生考核成績(jī)對(duì)比。

圖9 2015年與2014年某專(zhuān)業(yè)本科生成績(jī)對(duì)比表

數(shù)據(jù)表明，基于虛擬仿真技術(shù)的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式效果顯著。以該教學(xué)法為基礎(chǔ)，2016年成功申報(bào)了教育部本科深改工程項(xiàng)目、廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項(xiàng)目和校級(jí)教改項(xiàng)目(基于提高本科生工程實(shí)踐能力的工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐)。

作為工程訓(xùn)練中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能夠在一天的時(shí)間內(nèi)，使得不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生從“零基礎(chǔ)”開(kāi)始學(xué)習(xí)，并有以上的收獲，應(yīng)該說(shuō)是達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。實(shí)踐教學(xué)的教育特征體現(xiàn)在體驗(yàn)性、實(shí)踐性和訓(xùn)練性。這一特征決定了工程訓(xùn)練不是短時(shí)間能夠“完成” 的, 而是一個(gè)終身的過(guò)程。對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)應(yīng)該靠訓(xùn)練的體系化來(lái)保證, 體現(xiàn)過(guò)程素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)性責(zé)任, 應(yīng)該以工程認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ), 經(jīng)過(guò)基本技能的培訓(xùn), 最后落實(shí)到工程項(xiàng)目的具體實(shí)現(xiàn), 逐步深入, 強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容的多元性、先進(jìn)性和系統(tǒng)性[13]。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目起到了“師傅領(lǐng)進(jìn)門(mén)，修行靠個(gè)人”的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬仿真技術(shù)的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式突破了空間限制、解決了經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，可以形象生動(dòng)地展現(xiàn)控制效果，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)面向的是全校各專(zhuān)業(yè)的本科生，每年實(shí)驗(yàn)人數(shù)約為2 000人，并承擔(dān)兄弟院校每年約400人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，其受益面非常廣，也起到了示范輻射的作用。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)教學(xué)視頻已共享在國(guó)家級(jí)精品資源共享課程(機(jī)械制造工程訓(xùn)練)網(wǎng)站上，可供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。今后可以根據(jù)專(zhuān)業(yè)的不同適當(dāng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)時(shí)，并在教學(xué)中不斷挖掘人才。對(duì)于非常感興趣的學(xué)生，應(yīng)鼓勵(lì)其繼續(xù)深入學(xué)習(xí)，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，引導(dǎo)學(xué)生重返實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展“學(xué)生研究計(jì)劃(SRP)”學(xué)習(xí)開(kāi)展科研活動(dòng)，充分提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。

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