工业控制网络与组态技术在可编程控制器教学中的交互应用研究

2013-12-23陈孟元

实验技术与管理 2013年6期

陈孟元，郎朗

（安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽芜湖 241000）

当前，自动化技术的发展极具活力，控制理论和新技术对PLC的渗透性和互补性极强。在自动化日新月异的发展中，网络技术、软件组态技术、智能控制理论使PLC如虎添翼，使其应用面几乎覆盖所有的工业企业，日益跃居现代工业自动化三大支柱的主导地位［1］。针对工业控制领域的发展现状和前景，高校的主要任务是要培养和输送优秀的工业控制技术的应用型人才［2］。所以可编程控制器课程教学改革，有机整合与PLC密切相关的网络技术和软件组态技术，对夯实自动化类专业的课程平台起到了重要的作用［3］。教学过程的优化设计对于推动自动化专业创新教育、培养具有综合素质和全面发展的应用型工程技术人才，有一定的理论价值和实践指导意义。通过系统的锻炼，培养学生独立分析问题、解决问题和综合设计系统的能力及增强学生就业竞争力，具有非常重要的意义［4］。

1 构建一个创新的网络联合实验平台

为了对可编程控制器课程构建新的技术知识体系和实践能力培养体系，自动化专业教学培养模式和实验平台的创建与改革刻不容缓。2007年电气工程学院构建了一个创新的网络联合实验平台，经过2年的实践，让学生在虚拟工业现场感受网络化、分布式控制系统的先进性和优越性，为学生将来进入工业控制领域打下一个坚实的基础。网络实验室的网络拓扑结构如图1所示。

图1 网络实验室的网络拓扑结构图

系统采用西门子PLC为主体，建立工业以太网和PROFIBUS－DP的2种网络体系结构，通信方式灵活多变，几乎涵盖工业控制领域所有的通信方式，完全模拟工业控制现场，被控对象有模拟电梯系统、过程控制系统、顺控系统、风机系统等。系统具有现场控制和网络控制的功能，既能单机独立控制、独立运行，又能进行联网控制，实现了现场操作和网络计算机同步观测与分析相结合，可以通过现场控制与信息化管理相结合实现工业过程的管控一体化，建立了监控系统，并利用学院计算机房45台PC 机对控制对象实现设计和操作，学生一人一组，通过监控系统观测到控制结果，实现了资源共享。

2 课程内容的调整和教学方法的改进

在教学改革的过程中，按照自动化专业的特点以及工业控制领域的需求，对其课程的教学内容、教学条件、教学方法进行全面建设，形成一个交叉补充、相互配合的教学资源有机整体。

2.1 课程内容的调整

该课程系列已构成从授课、答疑、实践环节（包括实验、综合大实验）到考核等的完整的教学体系，重新修订了“可编程控制器”的课程教学大纲及“综合性大实验”等项目大纲，从以PLC 为控制核心的控制系统的知识结构出发，整合包括网络技术、组态技术等的新PLC课程理论教学内容体系。

PLC课程40学时，其中实验10学时。组态技术和工业控制网络的教学在综合大实验中完成，分别是30学时，让学生学习具有完整控制层、监控管理层、远程监控层3层结构的PLC 控制系统。在强调课程基本理论的基础上，加强了实践教学环节，凸显了其实际工程应用的属性。以创新教育为目的，突出综合性与设计性实验内容，增加与工程实际课题相结合的综合大实验和毕业设计，使教学内容既能适应生产实际要求，又能使学生视野开阔，动手能力和创新能力得到锻炼和提高［5］。

2.2 教学方法的改进

制作了优秀的教学课件。在教学中，多媒体教学与传统教学手段相结合。以多媒体作为教学的基本工具，将得到广泛应用的中小型PLC，如三菱FX 系列、西门子S7系列PLC 实物图片、结构等内容以静态或动画等形式展现于课堂，利用PLC的仿真软件形象地实现短小应用程序的控制原理、梯形图功能的描述，力求课堂教学内容丰富、生动、形象、直观、易于理解，加大知识获取的信息量，缓解课时有限和教学内容丰富的矛盾［6］。在教学中也充分利用传统的教学手段，如板书、教师形体语言优势等，与多媒体教学互相兼顾，相得益彰，既调整教学节奏，又给学生思考的时间。同时注意教师与学生之间的互动交流，通过提问、练习、学生上台板书答案、交流讨论等抓住学生的注意力，激发学生思考的热情，提高教学质量［7］。

3 实践教学体系的研究与实践

教学改革的内容加强了实践教学环节，凸显了其实际工程应用的属性。以创新教育为目的，增加与工程实际课题相结合的综合性实验，使教学内容既能适应生产实际要求，又能使学生的动手能力和创新能力得到锻炼和提高［8－9］。

在实践环节上从普通的验证性及简单的设计性实验开始，建立一套完整的相互关联与补充的实践教学体系，课外仿真与课内实验结合，虚拟实验与实际现场对象结合，基础实践与设计性、综合性、创新性实践结合，单一的控制模式与多模式结合，单机、简单网络控制与多层网络控制结合，本地与远程网络相结合。在工业控制网络的开放实验平台上，充分利用相关的实验室的资源，建立多模式、多层次、循序渐进的实验规范，见表1。

表1 多模式、循序渐进的实验层次

这种逐步扩展、循环上升的教学目的非常明确，就是加深学生对PLC、组态技术及网络技术的理解，有助于学生建立系统概念，同时注重本科的实践教学内容基础性、新颖性、综合性、创新性，进行拓展性和综合性的教学，这是学生提高独立开发与综合应用能力的重要环节。

学院计算机房45台PC 机和工业控制网络实验室联网，资源共享，参加实验的学生可以一人一组对控制对象实现设计和操作，通过监控系统观测到控制结果。该项教学内容通过在自动化2004级春、秋6个班和2005级3个班的实践，取得了良好的效果。学生经过综合大实验和设计性实验的训练，缩短学习和工作的差距，使得学校到单位的过渡变得很顺利，特别是知识的迁移能力强，对新工控产品上手快，后劲足，提高了本专业学生的竞争实力，做到学以致用，为学生初次就业并很快适应工作岗位起到了至关重要的作用，也使优秀的毕业生可在工控领域的研究和系统集成技术方面做出有意义的贡献。

每学年自动化专业毕业设计都有部分涉及PLC、组态技术及网络技术的课题，他们在导师指导下进行的真正科研训练，初步了解了科研的过程，提高了发现问题、解决问题的能力，并取得优秀的成绩，为他们今后的继续深造或工作奠定了基础。

4 综合性的教学模式为夯实自动化类专业的课程平台起到了重要作用

针对工业控制领域的发展现状和前景，实现我校“以主动服务地方经济为主线，打造我省强势本科，强化社会服务功能，努力把学校建成特色鲜明、竞争力强的多科性大学”的办学目标，为地方经济发展培养和输送优秀的工业控制技术的应用型人才，有机整合与PLC密切相关的网络技术和软件组态技术，对夯实自动化类专业的课程平台起到了重要的作用。

工业控制网络联合实验室具备模拟工业现场生产过程的功能，既能完成单项认知型和综合型实验，又能完成开发设计型实验，既能单机独立控制、独立运行，又能进行联网控制，还能进行现场控制与信息化管理相结合，实现工业过程的管控一体化，为学生的综合大实验、毕业设计、课外研究性学习、学科竞赛提供了一个全新的、开放的、综合的、实战的、研究型学习环境，也为教师和研究生提供了当今工业控制领域先进控制技术的实验平台。

在PLC的教学中采用综合性的教学模式，与相关课程进行紧密的知识融合，将PLC 与变频器技术、网络技术及现代监控技术融合，探索出课程组之间、理论教学与实践教学之间相互交叉、相互渗透、紧密结合的教学新体系。学生通过对本课程的学习和研究，达到具有全面的可编程控制器的基本知识，及良好的进行基本的系统分析、选型、软硬件的设计、调试等实验的动手能力，在触摸屏技术和工业组态软件技术的基础上，了解和学习多种上位监控和数据处理方式，具备利用可编程控制器、现场总线、组态软件进行系统集成的应用能力，为毕业后的工程实践打下扎实的基础。

教师是教学活动的主导，是教学改革的主力军，只有高水平的教师，才能培养出高质量的人才，只有具有创新素质的教师，才能造就具有创新精神的学生。通过综合性的教学模式和自动化类专业的课程平台，带动课程团队建设和水平提高，建设一支较高的教学、科研创新能力的教师队伍，使教师具有引导学生研究问题、帮助学生解决创新活动中遇到的问题的能力，为培养高素质创新人才奠定良好的基础［10－11］。

5 结束语

通过网络技术、组态软件等新的PLC 课程体系的交互应用研究，推动了自动化专业的创新教育，同时也使我们自动化专业上水平、上台阶。我们要在探索理论教学与实践教学、课程的知识与能力、核心技术与支撑技术之间相互交叉、相互渗透、紧密结合的教学新体系的基础上:修正教学培养方案和大纲，并在实施中不断优化；对现有的实验条件和资源不断建设和优化，更合理地开展具有专业特色的综合性大实验；将课内实践教学与课外多种科技实践教学紧密结合，建立和加强开放实验室，创建学生个性特色得以充分发挥的时间与空间，鼓励学生积极参与课外科技竞赛、科技项目，实现创新人才培养目标［12］。

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［1］匡宇国.MCGS组态软件技术在PLC 教学中的交互应用研究［J］.教育探索，2007（12）:136－137.

［2］许建凤，傅永锋.多模式PLC实训平台设计与研制［J］.实验技术与管理，2012，29（11）:65－67.

［3］马国华.监控组态软件的相关技术发展趋势［J］.自动化博览，2009（2）:16－19.

［4］陈跃东，陈孟元.全国大学生电子设计竞赛赛题探析［J］.安徽工业大学学报:社会科学版，2009（6）:118－120.

［5］郎朗，陈跃东，陈欣.PLC课程体系的多层次实验结构的研究［J］.电气电子教学学报，2010，32（2）:70－72.

［6］陈孟元，陈跃东.以“挑战杯”竞赛为契机谈工科院校青年教师非工化趋向和创型人才培养:以安徽工程大学电气工程学院为例［J］.长春理工大学学报:高教版，2012，7（2）:20－21，23.

［7］朱向庆，胡均万，曾辉.CDIO 工程教育模式的微型项目驱动教学法研究［J］.实验技术与管理，2012，29（11）:159－163.

［8］蔺万煌，吕长平，苏益，等.实践技能竞赛与大学生综合素质培养的探索［J］.实验技术与管理，2012，29（10）:18－20.

［9］蒋西明，陈世平，李慈，等.加强学科竞赛管理，提高人才培养质量［J］.实验技术与管理，2012，29（11）:22－25.

［10］陈跃东，郎朗，孙新柱，等.《电力拖动控制系统》工程化教学改革研究与实践［J］.宁波大学学报:教育科学版，2010，32（3）:98－101.