◆鄒萍 劉燕 許仙珍 單長考

基于遞進(jìn)式教學(xué)模式的PLC控制技術(shù)實踐教學(xué)研究*

◆鄒萍 劉燕 許仙珍 單長考

PLC控制技術(shù)是自動化、電氣工程等專業(yè)的一門實踐性很強的專業(yè)課，在理論教學(xué)基礎(chǔ)上，設(shè)計遞進(jìn)式實踐教學(xué)內(nèi)容，統(tǒng)籌課程實驗、課程實訓(xùn)、綜合訓(xùn)練等環(huán)節(jié)的實踐內(nèi)容，形成單元—系統(tǒng)—應(yīng)用的遞進(jìn)式分層結(jié)構(gòu)，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論知識用于解決實際問題，促進(jìn)理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

PLC控制技術(shù)；遞進(jìn)式教學(xué)模式；實踐教學(xué)改革

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.140

1　引言

PLC控制技術(shù)是一門重要的技術(shù)應(yīng)用型專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程要求教學(xué)能更加突出實用性，能與生產(chǎn)實際、生產(chǎn)崗位對人才的需求相結(jié)合。而在該課程傳統(tǒng)的教學(xué)中，理論與實際脫節(jié)較嚴(yán)重，雖然按照專業(yè)培養(yǎng)計劃和教學(xué)大綱的安排，后續(xù)也有實驗和實訓(xùn)等教學(xué)環(huán)節(jié)，但由于由不同的教師任課，再加上實踐教學(xué)內(nèi)容單調(diào)、陳舊，多為驗證性實驗，不能很好地調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，同時無法培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，很難培養(yǎng)出企業(yè)所需要的生產(chǎn)一線的技術(shù)骨干。這與當(dāng)前高校的卓越工程師計劃的培養(yǎng)目標(biāo)相違背。為了使學(xué)生在大學(xué)四年中具備一定的工程設(shè)計能力，使大學(xué)教育與生產(chǎn)實際無縫銜接，常熟理工學(xué)院在PLC控制技術(shù)課程的實踐教學(xué)改革中進(jìn)行了深入的研究。

2　夯實基本理論知識，巧妙設(shè)計實驗項目

課程實驗的主要目的是使學(xué)生通過動手實踐進(jìn)一步理解PLC的硬件結(jié)構(gòu)、外部接線方法和編址方式，掌握編程軟件的使用方法以及基本指令的功能和應(yīng)用。原先的實驗多為演示型、驗證型的項目，學(xué)生只需輸入程序、觀察現(xiàn)象即可，缺少對于主觀能動性的調(diào)動。于是各位任課教師組成教改項目組，大家一起研討，對實驗項目內(nèi)容進(jìn)行改革，將實驗分為基本型、綜合型和設(shè)計型三類。在基本型實驗項目中，首先是一段驗證性的程序或是簡單的幾句指令就能實現(xiàn)的小項目，然后是一個稍微復(fù)雜一點兒的控制要求，請學(xué)生在掌握之前指令應(yīng)用的基礎(chǔ)上做出思考，獨立完成程序編寫并調(diào)試。對于基本型實驗，要求一人一機，確保每個學(xué)生能夠得到足夠?qū)W時的鍛煉。如設(shè)置“定時器和計數(shù)器使用實驗”“搶答器控制實驗”“舞臺燈光控制程序設(shè)計實驗”和“中斷程序的編程運用實驗”，使學(xué)生初步理解和掌握定時器、計數(shù)器、中斷的工作原理及使用方法，了解基本邏輯指令和簡單的功能指令的基本運用。

在基本實驗之后又設(shè)置了綜合型實驗，將多個基本知識點或PLC課程內(nèi)容與其他專業(yè)課內(nèi)容相結(jié)合，實驗內(nèi)容更豐富，需要學(xué)生綜合運用所學(xué)知識來解決問題。原先只有按鈕和指示燈的實驗臺因為實驗效果單調(diào)、不直觀，已經(jīng)無法滿足需求了。為此，教師自主設(shè)計開發(fā)PLC綜合實驗裝置，集成電梯—機械滑臺—步進(jìn)電機單元、圓工作臺—三相交流電機—編碼器單元、變頻器單元、微型加熱器單元、數(shù)碼管顯示單元等，極大地豐富了實驗控制對象。該實驗裝置在“第二屆全國高校實驗室工作論壇”中榮獲了“首屆高等學(xué)校自制教學(xué)儀器設(shè)備成果獎”。據(jù)此開設(shè)了“十字路口交通燈的控制實驗”“裝料小車控制實驗”“編碼器應(yīng)用編程實驗”和“變頻器對電機的控制實驗”，這些實驗綜合了功能指令、子程序、中斷、高速計算器、步進(jìn)電機控制、變頻器控制等知識，使學(xué)生進(jìn)一步理解PLC如何與被控對象構(gòu)成一個系統(tǒng)，PLC在這個系統(tǒng)中如何起到控制的作用。PLC控制技術(shù)實驗項目如表1所示。

*項目來源：江蘇省自動化類重點專業(yè)建設(shè)項目“基于《PLC控制技術(shù)》的遞進(jìn)式實踐教學(xué)方法研究”（項目編號：ZSZY03-2-02）；常熟理工學(xué)院研究性課程立項建設(shè)項目“電氣工程綜合訓(xùn)練”（項目編號：JXK2015072）。作者：鄒萍，常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院實驗師，主要從事電氣工程及其自動化專業(yè)的理論、實踐教學(xué)與研究；劉燕、許仙珍、單長考，常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院（215500）。

表1　PLC控制技術(shù)實驗項目

設(shè)計型實驗則給予學(xué)生更大的空間，學(xué)生可以自行選擇控制對象的模塊、設(shè)計獨特的工藝流程，還可以選擇組態(tài)王、WINCC或觸摸屏作為上位機，搭建自己的控制系統(tǒng)。在經(jīng)過總體方案設(shè)計制訂、硬件選擇、程序設(shè)計、安裝調(diào)試整個流程的訓(xùn)練后，學(xué)生就初步掌握了系統(tǒng)設(shè)計的過程，也從中鍛煉了設(shè)計過程中分析和解決問題的能力。

綜合型、設(shè)計型實驗要求學(xué)生兩人一組共同完成，這培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神，通過自己動手實踐，將一條條枯燥的指令轉(zhuǎn)化為生動的控制效果，極大地增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，實踐過程中的不斷調(diào)試可以幫助學(xué)生找到自己編程上的不足，拓寬思路，尋找更好的編程方法和訣竅，增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)的信心。

3　轉(zhuǎn)化教師科研項目，分解形成實訓(xùn)項目

為期兩周的PLC控制技術(shù)實訓(xùn)是一個集中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，目的是使學(xué)生掌握PLC的硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件程序設(shè)計及調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生動手能力、解決實際問題的能力，為今后從事自動化控制方面的工作打下良好基礎(chǔ)。

項目組的教師大多有工廠工作經(jīng)歷或科研項目開發(fā)經(jīng)驗，為了使實訓(xùn)項目能夠更接近于工程實際，將教師參與的橫向科研項目進(jìn)行分解，先轉(zhuǎn)化為一個個小的控制實驗，最后綜合為一個完整的項目，將更復(fù)雜的控制、更具體的應(yīng)用背景引入進(jìn)來，使學(xué)生能將所學(xué)知識與真正的工礦現(xiàn)場需求聯(lián)系起來，為接下來進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計以及今后走上工作崗位打好基礎(chǔ)。

如將加熱爐燃燒控制系統(tǒng)中的溫度控制引入進(jìn)來，開發(fā)“微型加熱器自動溫度控制系統(tǒng)設(shè)計”的實訓(xùn)項目，利用S7-200 PLC的模擬量采集指令、PID指令、數(shù)據(jù)處理指令等，實現(xiàn)溫度的恒定控制；將實際工廠中機床的運行控制引入進(jìn)來，設(shè)計“機械滑臺工藝流程控制系統(tǒng)設(shè)計”，綜合利用功能指令、子程序、模擬量控制等，由PLC控制變頻器或步進(jìn)電機帶動三相電動機或機械滑臺模塊實現(xiàn)不同行走路徑的流程控制；將生活中常見的電梯引入進(jìn)來，設(shè)計“四層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計”“八站小車呼叫控制系統(tǒng)設(shè)計”，考驗學(xué)生的邏輯分析能力及綜合運用變頻器進(jìn)行速度控制、用數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字顯示的能力。

實訓(xùn)是對課程實驗的升華，主要圍繞工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計由PLC、變頻器、編碼器及上位機等工業(yè)自動化設(shè)備組成的電氣自動化控制系統(tǒng)，實訓(xùn)結(jié)束后提交包括整體設(shè)計方案、硬件接線圖、I/O分配表、軟件流程圖等的實訓(xùn)報告，使學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和樂于合作的團(tuán)隊精神，掌握技術(shù)文檔的撰寫，積累實際工程的設(shè)計調(diào)試經(jīng)驗。

4　貼近工程實際環(huán)境，整合形成綜合項目

PLC控制技術(shù)實訓(xùn)課題中的控制對象雖然已經(jīng)近似于工程實際，但畢竟還是一種模擬的設(shè)計方案和調(diào)試過程，尤其是在硬件方面，有很多實際的傳感器、執(zhí)行器因為各種原因只能用按鈕開關(guān)、指示燈等來代替。實驗臺上PLC輸入輸出的接線也都已經(jīng)引到面板上，學(xué)生只需用安全導(dǎo)線做接插就行了，這就使得學(xué)生在硬件線路板的設(shè)計、布局、安裝接線這塊的鍛煉缺失了。

為此，常熟理工學(xué)院與昆山巨林科教實業(yè)有限公司合作開發(fā)一套柔性組合生產(chǎn)線控制系統(tǒng)作為研究對象，完美地再現(xiàn)了實際工況現(xiàn)場中的自動生產(chǎn)線的工藝過程，在大四下半學(xué)期開設(shè)工業(yè)自動化技術(shù)綜合訓(xùn)練這樣一門綜合實踐教學(xué)課程。每套控制裝置含電氣控制柜、控制對象、計算機等主要設(shè)備，其中典型的控制對象有8個，分別是供料搬運組合單元、自動搬運組合單元、旋轉(zhuǎn)加工及裝配組合單元、物料分揀及循環(huán)組合單元、三軸機械手應(yīng)用組合單元、立體倉庫應(yīng)用組合單元、柔性傳輸線及自動上下料組合單元、自動加工及上下料組合單元。根據(jù)作用的不同，每一個控制對象上均裝有不同的傳感器及執(zhí)行機構(gòu)、步進(jìn)電機、伺服電機、三相電機等。電氣控制柜上可安裝PLC、變頻器、觸摸屏、繼電器、直流電源、接觸器、熔斷器、伺服驅(qū)動器、步進(jìn)驅(qū)動器、端子排等元器件，一切都按照工程實際來布置。學(xué)生可以對單一的控制對象設(shè)計控制系統(tǒng)，也可以將多個單元組合在一起，形成一條柔性自動化生產(chǎn)線，來進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新性訓(xùn)練。

在本綜合訓(xùn)練中，學(xué)生進(jìn)入實踐基地后按照訓(xùn)練項目設(shè)計控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計結(jié)果選擇元器件、測試元件，并在電氣控制柜上組裝、接線及調(diào)試。學(xué)生需要通過閱讀教材和各元器件相關(guān)技術(shù)資料來明確項目內(nèi)容、項目要求和項目實施方法，在確定總控制方案基礎(chǔ)上，設(shè)計PLC控制程序，繪制電氣原理圖、安裝控制柜；在項目的總體實施計劃下，確定操作步驟與操作方法，設(shè)置變頻器參數(shù)及觸摸屏監(jiān)控畫面組態(tài)等。實訓(xùn)中學(xué)生既要掌握工具使用、器材的安裝與元件的檢測方法，還要進(jìn)行調(diào)試、安全操作、問題分析等實踐訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中力爭將工程實際的標(biāo)準(zhǔn)、工藝引入教學(xué)實踐過程，從圖紙設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)畫法到組裝工藝、到調(diào)試規(guī)范，均按照行業(yè)規(guī)范要求進(jìn)行。

2015年春季學(xué)期中，有70多位2011級電氣工程及其自動化專業(yè)的大四學(xué)生參加了這個綜合訓(xùn)練課程，通過訓(xùn)練，他們的工程實踐能力、工程設(shè)計能力和工程創(chuàng)新能力得到鍛煉，獲得成為“準(zhǔn)工程師”所應(yīng)具備的工程技能。

5　提倡因材施教，鼓勵自主學(xué)習(xí)

在整個實驗—實訓(xùn)—綜合訓(xùn)練過程中，由于學(xué)生之間學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)興趣和接受能力的差異，做了不同難易程度的安排。在基本實驗中，一般先安排一個比較簡單的內(nèi)容，然后在此基礎(chǔ)上附加更高的要求作為選做項目提供給學(xué)有余力的學(xué)生；在綜合型、設(shè)計型實驗中，實驗本身就有難易的差異，學(xué)生可以根據(jù)自己的情況自主選擇。在實訓(xùn)和綜合訓(xùn)練中也是充分給予學(xué)生自主權(quán)，對于項目控制要求不做硬性規(guī)定，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力來簡化或增加難度。這樣給予學(xué)生足夠的自由，從易到難，在獲得成功的喜悅后，學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)動力進(jìn)一步提高。

而對于那些更優(yōu)秀的學(xué)生，鼓勵他們自主學(xué)習(xí)，“學(xué)好該學(xué)的、學(xué)習(xí)想學(xué)的”，并為他們提供多個自主型實驗項目，將實驗室開放，讓他們可以在實驗室中通過不斷實踐，進(jìn)一步挖掘更深的內(nèi)容，提高自身水平。同時，鼓勵他們加入西門子PLC實踐平臺，進(jìn)行各種創(chuàng)新性實踐，參加各種學(xué)科競賽，通過走出校門參加各種比賽來開闊視野，讓自身的各種能力得到提升。

6　結(jié)語

將遞進(jìn)式的教學(xué)模式引入PLC控制技術(shù)實踐教學(xué)中，由易到難地設(shè)置實踐項目，項目組教師共同編寫實驗、實訓(xùn)指導(dǎo)書，統(tǒng)籌實施，克服傳統(tǒng)課程教學(xué)模式的不足，體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，轉(zhuǎn)變了“教與學(xué)”的關(guān)系。通過改進(jìn)教學(xué)方法，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生感覺易入門，對基礎(chǔ)知識的理解也更加深刻，同時進(jìn)一步提高了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，使動手能力和創(chuàng)新意識得到明顯提高。如表2所示，近幾年的實踐表明教學(xué)效果良好，學(xué)生對任課教師的教學(xué)評價在學(xué)院中名列前茅，不少學(xué)生利用業(yè)余時間和暑期積極參加“西門子杯”全國大學(xué)生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽和電氣控制應(yīng)用大賽，成績斐然。實踐教學(xué)是大學(xué)本科教學(xué)中一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，如何改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，培養(yǎng)出符合企業(yè)與社會需要的高質(zhì)量人才，是高校教育者面臨的一個恒久的課題，在今后的教學(xué)過程中將不斷探索、研究與實踐下去?！?/p>

表2　歷年來學(xué)生獲獎情況統(tǒng)計表

［1］蔣立勇，李相銀，徐永祥.分層次遞進(jìn)式物理實驗教學(xué)新模式的實踐［J］.物理工程，2010，20（2）：5-8.

［2］王南蘭，彭琛，陳日新，等.改革實驗教學(xué)體系培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神［J］.實驗室研究與探索，2011，30（8）：163-166.

［3］魏克湘，劉迎春，董麗君，等.T程應(yīng)用型人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系的研究與實踐［J］.中國大學(xué)教育，2011（1）：52-57.

［4］張洪田．構(gòu)建開放式實踐教學(xué)體系培養(yǎng)T程應(yīng)用型人才的探索與實踐［J］．中國大學(xué)教育，2011（8）：63-68．

［5］王阿根.西門子S7-200PLC編程實例精解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［6］米潔，高宏.遞進(jìn)式實踐教學(xué)模式的探索與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29（2）：138-140.

［7］熊芳，劉甫.開放性實驗室培養(yǎng)創(chuàng)新人才的實踐與研究［J］.中國科技信息，2013（1）：144.

［8］過希文，李國麗，陳權(quán)，等.電氣工程基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)模式的研究與實踐［J］.中國電力教育，2013（10）：87-88.

［9］陳衛(wèi)增，胡永舉，等.工學(xué)結(jié)合“分層遞進(jìn)”式技能實踐教學(xué)體系［J］.實驗室研究與探索，2013，32（5）：194-197.

［10］陳東輝，江敏，錢平.電氣工程專業(yè)工程實踐教學(xué)體系的構(gòu)建［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：193-196.

［11］侍壽永.S7-200 PLC編程及應(yīng)用項目教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［12］龔?fù)?，?實例解讀西門子PLC［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［13］魏玉芬，李雨，等.“四實一體”遞進(jìn)式立體化教學(xué)模式探索［J］.通化師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)，2014（6）：69-71. ［14］王萬強.工業(yè)自動化PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用于實訓(xùn)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

［15］肖瑩，李宏昭.電氣自動化技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)體系研究［J］.中國電力教育，2014（11）：48-49.

Research on Practical Teaching of PLC Control Technology based on Progressive Teaching Mode//ZOU Ping， LIU Yan， XU Xianzhen，SHAN Changkao

PLC control technology is a professional course with very strong practicality for Automation and Electrical Engineering. By designing the practical teaching contents based on theoretical teaching， orchestrating the contents of experiments， practical trainings and comprehensive trainings， we formed a progressive hierarchical structure of unit-system-application. It helps to promote the application of theory to reality， train the practical ability， and improve the integrated ability of students.

PLC control technology； progressive teaching mode；practical teaching reform

G642.0

B

1671-489X（2016）12-0140-04