李自成，孔慶堯，王后能，熊 濤，曾 麗

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，武漢 430205）

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展，智慧工廠已成為工業(yè)發(fā)展的未來方向。國(guó)內(nèi)外對(duì)制造業(yè)的發(fā)展均十分重視，并針對(duì)其制定一系列策略。在國(guó)外，德國(guó)制定“工業(yè)4.0”、美國(guó)制定“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，國(guó)內(nèi)也對(duì)應(yīng)制定“中國(guó)制造2025”，各國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略對(duì)于未來的工程技術(shù)人才要求也逐漸提高［1-3］。因此，在電氣類、自動(dòng)化類專業(yè)培養(yǎng)方案中，一般開設(shè)電氣控制與PLC這一面向智能制造領(lǐng)域的重要專業(yè)課程。目前課程教學(xué)一般采用傳統(tǒng)的理論與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式，但是理論與實(shí)驗(yàn)容易脫節(jié)，學(xué)生缺乏獨(dú)立動(dòng)手、獨(dú)立解決問題的機(jī)會(huì)，因此學(xué)生的綜合工程實(shí)踐能力無法得到培養(yǎng)，實(shí)踐教學(xué)效果不佳。近年來，很多高校依托與本專業(yè)相關(guān)的企業(yè)和學(xué)科競(jìng)賽開展實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐探索和教學(xué)模式改革，取得一定成果并構(gòu)建出不同的實(shí)踐教學(xué)體系［4-9］。本文在多年電氣控制與PLC 教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合本校參加“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽和“臺(tái)達(dá)杯”高校自動(dòng)化設(shè)計(jì)大賽的經(jīng)歷，通過對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、綜合課程設(shè)計(jì)和各類競(jìng)賽項(xiàng)目的統(tǒng)一內(nèi)容規(guī)劃和銜接，構(gòu)建了一套能滿足電氣控制與PLC 實(shí)踐教學(xué)需要的多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。經(jīng)近幾年的實(shí)踐證明，學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)興趣、工程素養(yǎng)和工程設(shè)計(jì)能力大大提高，畢業(yè)生也受到用人單位的好評(píng)。

1 實(shí)踐教學(xué)與大學(xué)生綜合能力培養(yǎng)

高校對(duì)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)中，實(shí)驗(yàn)室是最主要的實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)所，對(duì)學(xué)生保持開放已經(jīng)成為我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的必然趨勢(shì)［10-16］。以學(xué)校實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)、各類學(xué)科競(jìng)賽為依托、教學(xué)自學(xué)相結(jié)合為手段，構(gòu)建多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的同時(shí)，也在一定程度上促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步發(fā)展。

實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)的不同點(diǎn)在于，理論教學(xué)更加偏向于個(gè)人研究，而實(shí)踐教學(xué)更加注重團(tuán)隊(duì)合作。在以學(xué)科競(jìng)賽為依托的實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生會(huì)面對(duì)一個(gè)綜合性強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜、應(yīng)用性強(qiáng)的問題。因此，學(xué)生需要將個(gè)人研究和團(tuán)隊(duì)合作相結(jié)合，在以個(gè)人為單位學(xué)習(xí)到基礎(chǔ)知識(shí)后，再以團(tuán)隊(duì)合作的形式共同解決復(fù)雜問題。學(xué)生在合作中進(jìn)一步拓寬知識(shí)層面，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

電氣控制與PLC 包括傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)和面向工業(yè)自動(dòng)化的PLC 控制系統(tǒng)，前者是后者學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。該課程涉及繼電器接觸器控制系統(tǒng)、PLC 邏輯控制系統(tǒng)、PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、PLC 過程控制系統(tǒng)等，其實(shí)踐教學(xué)效果對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力尤為重要。因此，需要對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和學(xué)科競(jìng)賽進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施，培養(yǎng)大學(xué)生綜合工程設(shè)計(jì)能力。

2 多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，實(shí)驗(yàn)室以比賽項(xiàng)目為依托搭建多層次實(shí)踐教學(xué)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1 所示。

平臺(tái)分為3 個(gè)層次。

（1）實(shí)驗(yàn)箱基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)箱中控制器采用西門子PLC S7-300，配合實(shí)驗(yàn)箱面板可實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)中的基本實(shí)驗(yàn)。

（2）虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。此平臺(tái)是以PLC S7-1200 為控制核心的電梯運(yùn)行仿真平臺(tái)，通信方式有兩種，①泗博PM125為設(shè)備基礎(chǔ)的PROFIBUS DP通信方式，②以太網(wǎng)通信方式。形成一套以PC 機(jī)為監(jiān)控對(duì)象，PLC為控制中心，EET電梯仿真為被控對(duì)象的編程仿真教學(xué)平臺(tái)。

圖1 多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

（3）綜合課程設(shè)計(jì)及學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)平臺(tái)。此平臺(tái)主要包括運(yùn)動(dòng)控制和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方向。其中運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)是以PLC S7-300 和變頻器S120 為核心，通過兩個(gè)電動(dòng)機(jī)協(xié)作控制保證卷繞傳送帶恒速恒壓。工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以安全模塊S615 和路由器XM408為核心，通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)保證工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中信息傳遞的穩(wěn)定性、正確性和安全性。

多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)激發(fā)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的積極性，鍛煉和提高了學(xué)生的個(gè)人能力，同時(shí)也豐富了理論教學(xué)內(nèi)容。在電氣控制與PLC 的傳統(tǒng)理論教學(xué)中，老師主要根據(jù)教材講解其應(yīng)用背景、基本原理和簡(jiǎn)單控制策略，缺少綜合項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用。多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建立幫助老師在完成基礎(chǔ)知識(shí)講解后，結(jié)合平臺(tái)中對(duì)應(yīng)的實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐講解，理論與實(shí)踐相輔相成。

3 多層次實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)施

3.1 以運(yùn)動(dòng)控制為例

綜合性問題的解決是循序漸進(jìn)的過程，因此在多層次實(shí)踐教學(xué)體系中將整個(gè)過程分為3 個(gè)階段，下面以運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)為例進(jìn)行介紹。

（1）基礎(chǔ)編程教學(xué)，利用實(shí)驗(yàn)箱基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)中控制器為西門子PLC系列中的S7-300，可以在PC機(jī)中使用TIA 博途上位機(jī)軟件進(jìn)行編程。通過指導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)中的交通燈實(shí)驗(yàn)及模擬電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)編程能力進(jìn)行培訓(xùn)，為后續(xù)解決復(fù)雜問題打下基礎(chǔ)。

（2）虛擬仿真教學(xué)，利用虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。綜合性問題的解決比較復(fù)雜，因此要先在虛擬仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)控制算法，證明其有效性后再應(yīng)用于實(shí)物平臺(tái)。虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)是將虛擬電梯系統(tǒng)作為被控對(duì)象，使用的PLC 為西門子S7-1200，可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP和以太網(wǎng)兩種通信方式。不同通信方式在TIA博圖軟件中的編程方式不同，可進(jìn)一步鍛煉學(xué)生在不同環(huán)境下的編程能力。通過PLC 實(shí)現(xiàn)編程控制的同時(shí)也需要上位機(jī)對(duì)虛擬電梯系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，本平臺(tái)使用與TIA博圖軟件兼容的Wincc 繪制上位機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬電梯系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。除此之外，虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)還可通過使用PLCSIM軟件對(duì)PLC進(jìn)行仿真，在無硬件設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)控制算法的仿真。本平臺(tái)對(duì)學(xué)生的設(shè)備通信、程序編寫、監(jiān)控畫面繪制和仿真實(shí)現(xiàn)能力進(jìn)行鍛煉，提高了學(xué)生工程項(xiàng)目解決實(shí)際問題的能力。

（3）綜合設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)教學(xué)，利用運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。

此階段分為設(shè)計(jì)解決方案、實(shí)際操作兩個(gè)步驟。設(shè)計(jì)解決方案要求學(xué)生以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為背景，在對(duì)綜合性問題分析后進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將解決方案以論文的方式寫出工程文檔。指導(dǎo)老師對(duì)工程文檔審核通過后，學(xué)生方可進(jìn)行實(shí)際操作。在實(shí)際操作中，學(xué)生將程序編寫完成并繪制出監(jiān)控界面后，先通過PLCSIM 軟件進(jìn)行仿真，仿真通過后選擇其中一種通信方式連接硬件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中，PLC為控制器，PG／PC可對(duì)PLC進(jìn)行程序編寫，并通過S120 驅(qū)動(dòng)器控制運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)中電動(dòng)機(jī)卷輥的運(yùn)行。HMI為觸屏監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控畫面在軟件中繪制完成后可以燒寫入HMI，對(duì)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控畫面如圖3 所示。設(shè)計(jì)工程文檔可以將學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)融會(huì)貫通，實(shí)際操作能提高其動(dòng)手能力和綜合能力。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 賽項(xiàng)培訓(xùn)及選拔

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽和“臺(tái)達(dá)杯”高校自動(dòng)化設(shè)計(jì)大賽作為教育部高校自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦的兩個(gè)重要賽項(xiàng)，其選題與本實(shí)驗(yàn)室所研究的電氣控制和PLC 相關(guān)性極強(qiáng)，因此選擇這兩項(xiàng)比賽作為構(gòu)建多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的依托?！拔鏖T子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽重點(diǎn)關(guān)注制造業(yè)在自動(dòng)化、智能化過程中所遇到的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和實(shí)踐動(dòng)手能力?！芭_(tái)達(dá)杯”高校自動(dòng)化設(shè)計(jì)大賽重點(diǎn)關(guān)注當(dāng)前自動(dòng)化行業(yè)中的熱點(diǎn)與痛點(diǎn)，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

參賽隊(duì)員在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)并不會(huì)局限于固定的比賽賽項(xiàng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，而是首先進(jìn)行全賽項(xiàng)的了解，并根據(jù)學(xué)生的個(gè)人興趣進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。針對(duì)不同賽項(xiàng)選出往屆取得優(yōu)異成績(jī)的學(xué)生作為賽項(xiàng)培訓(xùn)人，參賽學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí)可以向各賽項(xiàng)培訓(xùn)人進(jìn)行咨詢。在培訓(xùn)過程中，針對(duì)比賽的選拔也會(huì)同步進(jìn)行，校內(nèi)的選拔主要分為3 個(gè)階段。

（1）個(gè)人賽。新一屆參賽學(xué)生剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，上一屆比賽剛結(jié)束不久，新進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生以熟悉設(shè)備和比賽賽項(xiàng)為主，這一階段主要為淘汰一部分臨時(shí)起意的人，因此以個(gè)人為單位進(jìn)行選拔。培訓(xùn)主要有兩部分，①指導(dǎo)老師和往屆參賽學(xué)生進(jìn)行賽項(xiàng)簡(jiǎn)介和比賽心得分享；②定期由賽項(xiàng)負(fù)責(zé)人組織小組會(huì)議，對(duì)上一階段學(xué)習(xí)遇到的問題進(jìn)行統(tǒng)一解答，并為下一階段學(xué)習(xí)提出要求。培訓(xùn)一到兩個(gè)月后分不同賽項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)一選拔，選拔出具有知識(shí)儲(chǔ)備，并能解決綜合項(xiàng)目的同學(xué)。

（2）團(tuán)隊(duì)賽。經(jīng)過首輪選拔后，在同一賽項(xiàng)內(nèi)根據(jù)學(xué)生的個(gè)人意愿進(jìn)行3 人組隊(duì)，此時(shí)新一屆比賽的賽題還未公布，因此使用往屆兩年的賽題作為選拔題目。該階段的培訓(xùn)主要是指導(dǎo)老師對(duì)各個(gè)隊(duì)伍進(jìn)行輔導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生制定工程文檔，并針對(duì)不同賽項(xiàng)提出相關(guān)的控制策略，為學(xué)生提供解決問題的方向。這一階段的培訓(xùn)持續(xù)到新一屆比賽報(bào)名前，并以團(tuán)隊(duì)為單位進(jìn)行選拔，題目為往年真題，選拔出已經(jīng)制定好工程文檔并實(shí)現(xiàn)，具有參賽能力的隊(duì)伍，每個(gè)賽項(xiàng)的隊(duì)伍數(shù)量原則上不超過3 個(gè)。

（3）挑戰(zhàn)賽。此階段從比賽報(bào)名開始持續(xù)到報(bào)名結(jié)束前，選拔題目為新一屆比賽樣題，主要是給之前已經(jīng)淘汰的學(xué)生參賽機(jī)會(huì)，并進(jìn)一步激發(fā)已獲得參賽資格隊(duì)伍的積極性。之前選拔中被淘汰的學(xué)生可以自由組隊(duì)，并針對(duì)本屆比賽的樣題進(jìn)行攻關(guān)，若在報(bào)名結(jié)束前能全方位超越其中1 個(gè)已具備參賽資格的隊(duì)伍，就可將其取代，代表學(xué)校參加省賽。

4 多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)取得的成績(jī)

4.1 各項(xiàng)比賽取得的成果

自學(xué)校開始參加“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽和“臺(tái)達(dá)杯”高校自動(dòng)化設(shè)計(jì)大賽這兩項(xiàng)賽事以來，學(xué)生在多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的培訓(xùn)下已經(jīng)取得很多成績(jī)。

“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽，華中賽區(qū)特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)均斬獲多項(xiàng)。國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)中，工業(yè)信息組獲全國(guó)特等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各1 項(xiàng)，邏輯組獲全國(guó)二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)，運(yùn)控組獲全國(guó)二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)?！芭_(tái)達(dá)杯”高校自動(dòng)化設(shè)計(jì)大賽獲二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1 項(xiàng)。

4.2 學(xué)生綜合能力的提升

通過實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生的綜合能力得到很大提升，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。①?gòu)?fù)雜問題的解決能力，多數(shù)學(xué)生在大學(xué)階段能接觸學(xué)習(xí)到很多理論知識(shí)，但并沒有太多機(jī)會(huì)把理論與實(shí)踐相結(jié)合，將比賽題目作為綜合性項(xiàng)目，學(xué)生在解決問題的同時(shí)掌握自主研發(fā)的基本方法，從而積累了一定的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，為未來成為一個(gè)優(yōu)秀的工程師打下基礎(chǔ)。②團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，在實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生3 人1 組，雖然隊(duì)伍中每個(gè)人承擔(dān)不同職責(zé)，但是當(dāng)其中一人遇到問題時(shí)，需要隊(duì)伍內(nèi)的所有成員共同協(xié)作解決，從而提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為未來工作進(jìn)行鋪墊。

5 結(jié)語

以“西門子杯”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽和“臺(tái)達(dá)杯”高校自動(dòng)化設(shè)計(jì)大賽為依托，探索并構(gòu)建電氣控制與PLC多層次實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上形成一套合理的實(shí)踐教學(xué)體系，不僅提高了學(xué)生的理論知識(shí)應(yīng)用能力，更是提升了學(xué)生的綜合能力。學(xué)生在參加比賽獲得成果的同時(shí)，也重新回歸實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)新隊(duì)員，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的不斷發(fā)展。