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）

1 工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的復(fù)雜工程問題

工程教育專業(yè)認(rèn)證對于復(fù)雜工程問題有明確的要求，提出了新的標(biāo)準(zhǔn)。新的標(biāo)準(zhǔn)對培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題能力的要求,使得學(xué)生能夠達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)中界定的畢業(yè)要求,達(dá)到培養(yǎng)高質(zhì)量電氣專業(yè)人才的要求。對于最關(guān)鍵的解決復(fù)雜工程問題，如何理解與實(shí)施顯得至關(guān)重要，最后的關(guān)鍵主要應(yīng)落實(shí)到如何在教學(xué)過程中進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其在教學(xué)中是重點(diǎn)，對于PLC 復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)工作也就成為了重中之重。

2 PLC 復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在教學(xué)中的地位

傳統(tǒng)的工程教育存在著定位不清晰、目標(biāo)不明確等不足。工程應(yīng)用能力要在實(shí)踐中培養(yǎng)，PLC 理論課程與實(shí)踐結(jié)合顯得非常重要，如何把PLC 理論課程與相關(guān)實(shí)踐結(jié)合好是其中關(guān)鍵。對于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，電氣控制與PLC 技術(shù)課程是重要的專業(yè)課，針對PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開設(shè)專門的工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)習(xí)實(shí)踐課程。在培養(yǎng)方案中圍繞著PLC 復(fù)雜控制系統(tǒng)相關(guān)課程關(guān)系圖如圖1 所示。

圍繞著課程改革，具體授課學(xué)期計(jì)劃安排信息見表1 所示?？驁D1 中的每門課程都針對本課程在復(fù)雜PLC 控制系統(tǒng)中的位置進(jìn)行課程目標(biāo)設(shè)定和內(nèi)容安排，使各門課程都有側(cè)重，最后形成有機(jī)的整體，進(jìn)而使學(xué)生能夠完成復(fù)雜的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 PLC 復(fù)雜系統(tǒng)教學(xué)相關(guān)課程關(guān)系圖

3 針對PLC 復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)方法研究

3.1 PLC 復(fù)雜系統(tǒng)量化

對于復(fù)雜工程問題所面對的復(fù)雜PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先要確定什么樣的PLC 控制系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng)，PLC 復(fù)雜系統(tǒng)的量化見表2。量化原則是根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)等多方面進(jìn)行綜合得出的10 條指標(biāo)。

3.2 復(fù)雜PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于復(fù)雜PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要遵循循序漸進(jìn)的原則，先進(jìn)行簡單的小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，待學(xué)生積累了一定經(jīng)驗(yàn)后再進(jìn)行大的復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（1）課程大作業(yè)、實(shí)驗(yàn)和仿真。電氣控制與PLC 課程目標(biāo)要求學(xué)生掌握常用低壓電器和PLC 的原理分析方法及常用器件設(shè)計(jì)的基本理論和方法，具有一般PLC 控制裝置設(shè)計(jì)的能力。在電氣控制與PLC 課程中布置一些大作業(yè)形式的簡單的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求學(xué)生完成控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、主機(jī)選型和I/O 分配。

表1 PLC 復(fù)雜系統(tǒng)教學(xué)推進(jìn)表

表2 PLC 復(fù)雜系統(tǒng)量化表

PLC 控制技術(shù)作為一門專業(yè)性和實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，安排的實(shí)驗(yàn)和仿真項(xiàng)目，如像搶答器控制和交通燈控制，使學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備如S7-200PLC 實(shí)驗(yàn)箱和S7-300 PLC 實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作，能夠使用STEP 7 編程軟件進(jìn)行編輯、下載和運(yùn)行程序，完成控制程序的調(diào)試。通過PLCSIM 等工程軟件的講解和演示，使學(xué)生學(xué)會(huì)使用仿真軟件進(jìn)行程序仿真和調(diào)試。這樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目雖然簡單但比較有代表性，能夠鍛煉順序和時(shí)序編程能力，同時(shí)也能提高編程軟件和仿真軟件的操作能力。

（2）課程設(shè)計(jì)或?qū)嵙?xí)。針對PLC 復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)安排工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)習(xí)，使學(xué)生具備綜合運(yùn)用PLC、電機(jī)和傳感器知識(shí)，獨(dú)立分析和解決工業(yè)控制系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和工程問題能力。掌握PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具備工業(yè)控制領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)或改進(jìn)能力。在實(shí)習(xí)過程中，注意讓學(xué)生理解復(fù)雜控制系統(tǒng)，掌握復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和方法。在實(shí)習(xí)期間，學(xué)生盡管設(shè)計(jì)的仍是簡單的小系統(tǒng)，但其整個(gè)過程完全和復(fù)雜的大系統(tǒng)設(shè)計(jì)相同，是簡化版的畢業(yè)設(shè)計(jì)。10 天實(shí)習(xí)過程中教師每天都有講授內(nèi)容，講授完成后布置當(dāng)天實(shí)習(xí)任務(wù)，學(xué)生聽完后完成相應(yīng)設(shè)計(jì)，當(dāng)天或第二天有相應(yīng)的檢查與評(píng)分。

（3）畢業(yè)設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是最終檢驗(yàn)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題尤其是設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生經(jīng)過三年半的學(xué)習(xí)和積累，無論在知識(shí)水平上和設(shè)計(jì)能力上是整個(gè)大學(xué)四年中最高、最強(qiáng)的時(shí)期。學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間設(shè)計(jì)復(fù)雜的PLC 控制系統(tǒng)也是為了使學(xué)生提前適應(yīng)將來的工作崗位，這樣畢業(yè)設(shè)計(jì)選題時(shí)要與學(xué)生就業(yè)方向相結(jié)合，盡量選擇與工作單位相關(guān)的題目，這樣的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目不會(huì)顯得空洞。畢業(yè)設(shè)計(jì)選題方向要符合國家提出的“制造業(yè)2025”發(fā)展規(guī)劃，其基本內(nèi)容絕不單純只針對世界流行的“工業(yè)4.0”，其還肩負(fù)著我國現(xiàn)有的比較落后工業(yè)制造設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的改造。設(shè)計(jì)中既包括比較高端的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，又包括比較低端的老舊設(shè)備的改造與換代，這也是一種在校大學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)的創(chuàng)新，符合國家最新政策。

3.3 PLC 復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果

（1）設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告緊扣實(shí)習(xí)項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)習(xí)要考查的項(xiàng)目安排章節(jié)內(nèi)容，主要包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、軟件仿真、硬件聯(lián)調(diào)和實(shí)習(xí)總結(jié)，其中包括控制系統(tǒng)原理圖和程序清單。

（2）系統(tǒng)工程。PLC 系統(tǒng)工程是指在PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試過程中，通過設(shè)計(jì)、編輯、組態(tài)、仿真和調(diào)試等操作形成的硬件組態(tài)、控制程序和圖形界面等軟件工程，主要由STEP7、PLCSIM 和WinCC 三者組成。PLC 控制系統(tǒng)工程分為設(shè)計(jì)與仿真工程和實(shí)驗(yàn)室調(diào)試工程，設(shè)計(jì)與仿真工程是按實(shí)際任務(wù)書進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的工程，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場調(diào)試時(shí)受現(xiàn)場硬件和軟件條件所限要重新制作調(diào)試工程。

（3）系統(tǒng)照片和錄像。在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)要進(jìn)行屏幕截屏或錄像，截屏圖片粘貼到報(bào)告或論文中。在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場調(diào)試時(shí)，要求拍攝照片和錄像，記錄現(xiàn)場設(shè)計(jì)運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)試結(jié)果。

3.4 PLC 復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與考核

對PLC 復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與考核是一個(gè)綜合評(píng)價(jià)過程，首先，評(píng)價(jià)過程貫穿設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件仿真和硬件聯(lián)調(diào)階段。其次，評(píng)價(jià)內(nèi)容多樣，包括論文、圖紙、仿真圖片、調(diào)試照片和錄像等多項(xiàng)內(nèi)容。

4 結(jié)語

PLC 復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)較長時(shí)間的過程，這也要求培養(yǎng)學(xué)生不單純只是設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而是要從設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試和運(yùn)行等全過程對學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，使學(xué)生能夠綜合運(yùn)用相關(guān)專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題，這樣才能培養(yǎng)出合格的人才。