基于企业需求的PLC实训教学创新研究

唐春霞 郝飞

摘 要：从当前PLC技术在企业的应用现状入手，结合其发展趋势，研究如何顺应企业需求，完善课程内容，创新授课形式。通过改进教学方法，提高实训效果，构建针对性强、集约高效的实训机制，实现人才培养和企业需求的无缝对接，从而培养高素质、接地气的应用型专门人才。

关键词：PLC技术；发展趋势；应用现状；实训课程教学；企业需求

基金项目：天津市委教育工委课题 “基于企业需求的PLC实训课程教学创新研究”（项目编号：99）

作者简介：唐春霞，女，天津职业技术师范大学高级工程师，硕士，主要研究方向为工业电气自动化控制应用。

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-7747（2016）30-0065-03

一、PLC技术的发展趋势

PLC（可编程逻辑控制器）以微处理器为核心，综合了计算机、通讯、电器控制和自动控制等技术，是一种通用的自动控制装置。PLC技术发展的初衷是替代继电器并增强其功能，通过处理逻辑量实现对离散生产过程的顺序控制；同时，PLC技术又基于电子计算机，相当于工业现场的微型计算机。它在处理逻辑量的同时，也进行模拟量和脉冲量的处理，已经不再局限于传统意义上的逻辑控制，在过程控制、运动控制等方面都发挥着重要作用。[1]近年来，随着计算机技术和网络通信技术的高速发展，PLC系统的延展性得到发挥，具备了很强的数据存贮能力和联网通讯能力，朝着开发新的智能模块、加强网络通信能力、增加现场总线接口的方向发展，其功能快速强大，视觉效果和控制效果明显提升。

二、PLC技术在企业的应用现状

（一）品牌应用

1.产品特点与市场份额。我国企业所用的PLC产品按其技术来源分为美国、欧洲和日本3个流派。其中美国与欧洲的PLC技术由各自独立开发，而日本的技术是从美国引进的。

（1）美国产品。美国PLC技术一直处于全球领先地位，他们的代表是罗克韦尔自动化公司旗下的Allen-Bradley品牌，是全球第一品牌。该公司产品設计极具人性化，使用灵活，功能强大且稳定性好，但是价格较高。在全球销售额处于前列，但是在中国早期仅有部分大型国企使用，市场占有率较低，近年来市场份额有所上升。

（2）欧洲产品。欧洲每个国家都有其优秀的PLC厂商，其代表为德国西门子和法国施耐德。其中德国西门子公司的PLC产品进入中国较早，并且和许多高校展开合作，西门子S7系列产品纷纷进入高校实验室，有效提高了业内认可度。同时由于其产品性能稳定，价格适中，品牌知名度和美誉度较高，市场占有率一直稳居榜首。

（3）日本产品。日本PLC品牌主要有三菱、欧姆龙和松下等，产品功能强大，性价比较高，其中三菱公司市场份额较高，欧姆龙公司近年市场占有率不断提高。

2.分型号品牌应用。根据其适用范围，PLC型号分为小型、中型和大型3类。其中小型PLC市场以欧洲和日本产品为主，以西门子、三菱和欧姆龙品牌为代表；中型PLC市场是西门子公司一家独大；大型PLC市场由西门子、罗克韦尔和施耐德公司三分天下。

（二）技术应用

当今的PLC已不再简单地替代继电控制器，也不仅局限于开关量控制与顺序控制，已发展到模拟量和运动量控制，进行过程控制、运动控制、信息处理与联网通讯等。

1.网络通信技术。目前工业PLC已经从单机模式进入到网络通信时代。随着工业以太网技术的成熟、智能设备的发展和交换技术的应用，几乎所有的现场总线系统都可以连接到以太网，实现现场设备与控制系统之间的信息传递，消除企业内部的自动化信息孤岛。同时，上位机组态软件将所有硬件设备连接起来，通过直观的动画进行显示和控制，甚至可以通过互联网实现异地控制。

2.过程控制。PLC已经从离散控制发展到连续过程控制，尤其在钢铁、化工等连续性生产行业，会遇到诸如电压、电流、压力、温度、速度、流量等模拟量，必须将其离散化和数字化，在经预处理后送PLC进行处理，然后通过锁存、转换为模拟输出，从而实现对模拟量对象的控制。[2]在过程控制的同时，还能进行其它控制，便于完备控制思想，改进控制效果。

3.运动控制。运动控制是通过对电动机电压、电流和频率等参数的控制，来改变工作机械的转矩、速度和位移等机械量，使其按照设计思路运行。运动控制既可以是单坐标，即控制对象作简单的直线运动；也可能是多坐标的，即控制对象进行平面、立体，甚至是角度变换的复杂运动。此外，还可以对多个运动对象进行协调控制。

4.冗余控制。冗余控制是指为增加系统的可靠性，采取两套或两套以上相同且相对独立的系统，通过提供保障系统运行的冗余组件，工作系统一旦发生故障，冗余配置即自动介入，承担故障部件的工作，从而减少故障时间，实现容错功能。PLC冗余方式有硬件冗余和软件冗余两种。

三、PLC实训教学现状

PLC实训教学是学生从理论走向实践的桥梁，将直接影响学生的企业现场适应能力。而当前的实训设备和教学内容，都与企业应用现状存在一定差距，使得人才培养难以同企业需求高度契合。

（一）实训设备现状

职业院校PLC实训设备呈现品牌单一、型号不全、功能先进性不够等特点。据调研，目前多以西门子公司产品为主，型号主要有两款，一款是小型PLC，采用西门子S7-200系列（CPU 226CN）；另一款是中小型PLC，采用西门子S7-300系列（CPU 314C-2DP）。西门子S7-200系列（CPU 226CN）支持PPI通讯协议、MPI通讯协议，具备自由通讯能力，能够实现RS485简单通信；西门子S7-300系列（CPU 314C-2DP）用于分布式结构的系统，各种模块之间通过组合实现扩展，支持MPI通讯协议和PROFIBUS-DP通信协议。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，在制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域都有应用。但是两款PLC都不支持目前最流行的工业以太网通信协议。

（二）教学内容设置

职业院校维修电工PLC实训课程通常按等级设置内容，分为维修电工中级工、高级工和技师3个等级。

1.维修电工中级工课程。中级工PLC课程为入门级，学习小型PLC的简单应用，采用设备为西门子S7-200系列（CPU 226CN），实训训练时间一般为两周。

主要内容包括四个方面：（1）小型PLC的输入输出接线；（2）编程软件的基本应用，包括编程软件的安装与打开，新建、保存和打开工程，以及新建程序段、设置符号表和设置参数等；（3）基本逻辑指令编程应用；（4）简单项目的调试、基本继电控制电路PLC控制，包括起保停、点动连续、顺序启动和工作台往返控制等。

2.维修电工高级工课程设置。学习小型PLC，采用设备为西门子S7-200系列（CPU 226CN），训练时间为两周，主要内容包括四个方面：（1）相对复杂逻辑关系编程；（2）PLC硬件的选型，了解小型PLC各个系列和型号的特点；（3）熟悉小型PLC的功能、扩展，建立工程概念，设计PLC接线等；（4）复杂项目的调试，完成物料输送和分拣项目的控制系统设计、编程调试等。

3.维修电工技师课程设置。学习中型PLC，采用设备为西门子S7-300系列（CPU 314C-2DP），训练时间两周，主要内容包括三个方面：（1）中型PLC模块化应用特点、硬件组态与配置，了解中大型与小型PLC的区别；（2）中大型PLC的编程理念，了解结构化编程、数据块的应用等；（3）引入西门子触摸屏的应用，了解组态软件的简单应用、初步建立网络通信的概念。

由此可见，当前的实训内容虽然分级别进行设置，但是教学内容相对孤立，缺乏对系统的综合控制和联网联动的训练，与当前企业应用现状和发展趋势有一定差距。

四、面向企业需求，创新PLC实训教学

（一）设备品牌的全面性

根据笔者的调研和了解，目前高校PLC实训设备大多采用德国西门子品牌，少数有日本三菱品牌，更无美国A-B品牌产品，而这3个流派PLC的编程语言和思路有着明显区别。西门子PLC采用結构化编程方法，有梯形图、逻辑图等多种PLC编程语言，但是复杂问题必须用语句表。美国A-B品牌PLC与西门子的编程方法相去甚远，没有语句表，全部依靠梯形图编程，且它的梯形图与西门子梯形图在形式、功能和用法上差别很大。日本微小型PLC产品对梯形图、语句表并重，而且配置了包括功能指令的指令系统。由此可见，当前职业院校PLC实训设备品牌局限性非常明显，与企业应用差距较大，势必造成学生视野的局限性和应用能力的制约性，这是当前PLC实训课程的短板之一。

如何科学规划实训设备品牌的全面性？在考虑针对性和全面性的同时，也要考虑经济性和可行性。不妨参考200多家PLC厂商、400多品种产品在我国销售的大数据。据不完全统计，我国近年每年PLC设备的引进总额在5 500万美元左右，其中美国品牌约2 000万美元、欧洲品牌约2 500万美元、日本品牌约1 000万美元。根据型号细分，大中型PLC以欧美产品为主，德国西门子公司和美国A-B公司平分秋色；小型PLC主要是日本产品，三菱和欧姆龙公司产品居多。

为此，建议适量选择美国A-B公司的中型PLC，增加部分日本三菱或欧姆龙公司的小型PLC。

（二）功能模块的先进性

PLC产品与其它电子产品一样，种类多且发展速度快，但是教学内容的更新是需要时间的，由此常常导致教学内容的先进性不够，与企业实际应用差距较大。[3]当前企业PLC应用主要在5个方面：开关量控制、网络通信技术、过程控制、运动控制和冗余控制。基于此，PLC实训设备需要补充相应的功能模块，或者进行设备更新，保证其先进性和实用性。

同时，为了开阔学生视野，培育前瞻性思维，建议开设“PLC前沿技术应用”等专题讲座，以弥补设备更新滞后所带来的教学缺陷。

（三）教学内容的实用性

根据对部分企业的调研结果，建议就教学内容做如下调整。

1.中级工课程增加模拟量的应用，即过程控制内容。

2.高级工课程增加网络通信技术应用，尤其是工业以太网的应用。

3.技师课程增加运动控制，提高设备联网控制要求，进行多个品牌PLC的应用实训。

（四）教学形式的多样性

1.案例式教学。开发与企业应用相契合的典型工程案例，把抽象的基本原理、控制思想、指令意义、操作技能等教学内容具体化，缩短课堂教学与工厂实际的差距，提高与现场的相似度和契合度，使课堂教学更逼真、更生动，在互动中培养学生的现场概念和一线思维，促进其快速适应工厂环境，实现课堂教学和企业现场的无缝对接。

2.差异化教学。针对学生的不同层次，区别培养方向，细化教学模块，差别确定各模块实训重点，做到方向明确、重点突出、因材施教、才尽其用。（1）中级工训练模块以开关量基本指令为主要内容，采用引入式教学，从培养兴趣入手，训练基本应用能力。同时，了解模拟量的应用；（2）高级工训练模块以故障的快速判断和准确处理为目标，通过相对复杂程序的编写、调试和优化，有效提高学生的设备“维修”能力和 “掌控”能力；（3）技师模块以PLC网络通信为主要内容，通过不同品牌与型号PLC的全面训练，以及与触摸屏、变频器等自动化设备的互动控制，重点培养学生的综合应用能力。

3.全方位考核。建议在实训指导书中设置预习内容，增加预习环节考核，“逼迫”学生课前预习，引导学生主动思考，带着疑问进入实训室，在解决问题中增强成就感，激发学习兴趣，改善教学课堂效果。

参考文献：

[1] 林旭鸿.PLC控制系统的网络化控制探析[J].中国高新技术企业，2014（34）：44-46.

[2] 王华琳.PLC 在电气自动化控制中的应用[J].计算机工程应用技术，2013（2）：73-75.

[3] 刘膨于.工业自动化控制技术的发展现状与发展趋势[J].知音励志，2015（10）：38-40.

[责任编辑 陈国平]