基于递进式教学模式的PLC控制技术实践教学研究*

◆邹萍 刘燕 许仙珍 单长考

基于递进式教学模式的PLC控制技术实践教学研究*

◆邹萍 刘燕 许仙珍 单长考

PLC控制技术是自动化、电气工程等专业的一门实践性很强的专业课，在理论教学基础上，设计递进式实践教学内容，统筹课程实验、课程实训、综合训练等环节的实践内容，形成单元—系统—应用的递进式分层结构，使学生能够将所学理论知识用于解决实际问题，促进理论联系实际，培养学生的动手能力，提高学生的综合素质。

PLC控制技术；递进式教学模式；实践教学改革

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

1　引言

PLC控制技术是一门重要的技术应用型专业基础课程，该课程要求教学能更加突出实用性，能与生产实际、生产岗位对人才的需求相结合。而在该课程传统的教学中，理论与实际脱节较严重，虽然按照专业培养计划和教学大纲的安排，后续也有实验和实训等教学环节，但由于由不同的教师任课，再加上实践教学内容单调、陈旧，多为验证性实验，不能很好地调动学生的主观能动性，同时无法培养学生的综合应用能力，很难培养出企业所需要的生产一线的技术骨干。这与当前高校的卓越工程师计划的培养目标相违背。为了使学生在大学四年中具备一定的工程设计能力，使大学教育与生产实际无缝衔接，常熟理工学院在PLC控制技术课程的实践教学改革中进行了深入的研究。

2　夯实基本理论知识，巧妙设计实验项目

课程实验的主要目的是使学生通过动手实践进一步理解PLC的硬件结构、外部接线方法和编址方式，掌握编程软件的使用方法以及基本指令的功能和应用。原先的实验多为演示型、验证型的项目，学生只需输入程序、观察现象即可，缺少对于主观能动性的调动。于是各位任课教师组成教改项目组，大家一起研讨，对实验项目内容进行改革，将实验分为基本型、综合型和设计型三类。在基本型实验项目中，首先是一段验证性的程序或是简单的几句指令就能实现的小项目，然后是一个稍微复杂一点儿的控制要求，请学生在掌握之前指令应用的基础上做出思考，独立完成程序编写并调试。对于基本型实验，要求一人一机，确保每个学生能够得到足够学时的锻炼。如设置“定时器和计数器使用实验”“抢答器控制实验”“舞台灯光控制程序设计实验”和“中断程序的编程运用实验”，使学生初步理解和掌握定时器、计数器、中断的工作原理及使用方法，了解基本逻辑指令和简单的功能指令的基本运用。

在基本实验之后又设置了综合型实验，将多个基本知识点或PLC课程内容与其他专业课内容相结合，实验内容更丰富，需要学生综合运用所学知识来解决问题。原先只有按钮和指示灯的实验台因为实验效果单调、不直观，已经无法满足需求了。为此，教师自主设计开发PLC综合实验装置，集成电梯—机械滑台—步进电机单元、圆工作台—三相交流电机—编码器单元、变频器单元、微型加热器单元、数码管显示单元等，极大地丰富了实验控制对象。该实验装置在“第二届全国高校实验室工作论坛”中荣获了“首届高等学校自制教学仪器设备成果奖”。据此开设了“十字路口交通灯的控制实验”“装料小车控制实验”“编码器应用编程实验”和“变频器对电机的控制实验”，这些实验综合了功能指令、子程序、中断、高速计算器、步进电机控制、变频器控制等知识，使学生进一步理解PLC如何与被控对象构成一个系统，PLC在这个系统中如何起到控制的作用。PLC控制技术实验项目如表1所示。

*项目来源：江苏省自动化类重点专业建设项目“基于《PLC控制技术》的递进式实践教学方法研究”（项目编号：ZSZY03-2-02）；常熟理工学院研究性课程立项建设项目“电气工程综合训练”（项目编号：JXK2015072）。作者：邹萍，常熟理工学院电气与自动化工程学院实验师，主要从事电气工程及其自动化专业的理论、实践教学与研究；刘燕、许仙珍、单长考，常熟理工学院电气与自动化工程学院（215500）。

表1　PLC控制技术实验项目

设计型实验则给予学生更大的空间，学生可以自行选择控制对象的模块、设计独特的工艺流程，还可以选择组态王、WINCC或触摸屏作为上位机，搭建自己的控制系统。在经过总体方案设计制订、硬件选择、程序设计、安装调试整个流程的训练后，学生就初步掌握了系统设计的过程，也从中锻炼了设计过程中分析和解决问题的能力。

综合型、设计型实验要求学生两人一组共同完成，这培养了学生的团队协作精神，通过自己动手实践，将一条条枯燥的指令转化为生动的控制效果，极大地增强了学生的学习兴趣。同时，实践过程中的不断调试可以帮助学生找到自己编程上的不足，拓宽思路，寻找更好的编程方法和诀窍，增强学生的自主学习能力和学习的信心。

3　转化教师科研项目，分解形成实训项目

为期两周的PLC控制技术实训是一个集中实践教学环节，目的是使学生掌握PLC的硬件系统设计、软件程序设计及调试，培养学生动手能力、解决实际问题的能力，为今后从事自动化控制方面的工作打下良好基础。

项目组的教师大多有工厂工作经历或科研项目开发经验，为了使实训项目能够更接近于工程实际，将教师参与的横向科研项目进行分解，先转化为一个个小的控制实验，最后综合为一个完整的项目，将更复杂的控制、更具体的应用背景引入进来，使学生能将所学知识与真正的工矿现场需求联系起来，为接下来进行毕业设计以及今后走上工作岗位打好基础。

如将加热炉燃烧控制系统中的温度控制引入进来，开发“微型加热器自动温度控制系统设计”的实训项目，利用S7-200 PLC的模拟量采集指令、PID指令、数据处理指令等，实现温度的恒定控制；将实际工厂中机床的运行控制引入进来，设计“机械滑台工艺流程控制系统设计”，综合利用功能指令、子程序、模拟量控制等，由PLC控制变频器或步进电机带动三相电动机或机械滑台模块实现不同行走路径的流程控制；将生活中常见的电梯引入进来，设计“四层电梯控制系统设计”“八站小车呼叫控制系统设计”，考验学生的逻辑分析能力及综合运用变频器进行速度控制、用数码管进行数字显示的能力。

实训是对课程实验的升华，主要围绕工业自动化控制系统的设计，设计由PLC、变频器、编码器及上位机等工业自动化设备组成的电气自动化控制系统，实训结束后提交包括整体设计方案、硬件接线图、I/O分配表、软件流程图等的实训报告，使学生具备严谨的治学态度和乐于合作的团队精神，掌握技术文档的撰写，积累实际工程的设计调试经验。

4　贴近工程实际环境，整合形成综合项目

PLC控制技术实训课题中的控制对象虽然已经近似于工程实际，但毕竟还是一种模拟的设计方案和调试过程，尤其是在硬件方面，有很多实际的传感器、执行器因为各种原因只能用按钮开关、指示灯等来代替。实验台上PLC输入输出的接线也都已经引到面板上，学生只需用安全导线做接插就行了，这就使得学生在硬件线路板的设计、布局、安装接线这块的锻炼缺失了。

为此，常熟理工学院与昆山巨林科教实业有限公司合作开发一套柔性组合生产线控制系统作为研究对象，完美地再现了实际工况现场中的自动生产线的工艺过程，在大四下半学期开设工业自动化技术综合训练这样一门综合实践教学课程。每套控制装置含电气控制柜、控制对象、计算机等主要设备，其中典型的控制对象有8个，分别是供料搬运组合单元、自动搬运组合单元、旋转加工及装配组合单元、物料分拣及循环组合单元、三轴机械手应用组合单元、立体仓库应用组合单元、柔性传输线及自动上下料组合单元、自动加工及上下料组合单元。根据作用的不同，每一个控制对象上均装有不同的传感器及执行机构、步进电机、伺服电机、三相电机等。电气控制柜上可安装PLC、变频器、触摸屏、继电器、直流电源、接触器、熔断器、伺服驱动器、步进驱动器、端子排等元器件，一切都按照工程实际来布置。学生可以对单一的控制对象设计控制系统，也可以将多个单元组合在一起，形成一条柔性自动化生产线，来进行毕业设计和创新性训练。

在本综合训练中，学生进入实践基地后按照训练项目设计控制系统，根据设计结果选择元器件、测试元件，并在电气控制柜上组装、接线及调试。学生需要通过阅读教材和各元器件相关技术资料来明确项目内容、项目要求和项目实施方法，在确定总控制方案基础上，设计PLC控制程序，绘制电气原理图、安装控制柜；在项目的总体实施计划下，确定操作步骤与操作方法，设置变频器参数及触摸屏监控画面组态等。实训中学生既要掌握工具使用、器材的安装与元件的检测方法，还要进行调试、安全操作、问题分析等实践训练。训练过程中力争将工程实际的标准、工艺引入教学实践过程，从图纸设计的标准画法到组装工艺、到调试规范，均按照行业规范要求进行。

2015年春季学期中，有70多位2011级电气工程及其自动化专业的大四学生参加了这个综合训练课程，通过训练，他们的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力得到锻炼，获得成为“准工程师”所应具备的工程技能。

5　提倡因材施教，鼓励自主学习

在整个实验—实训—综合训练过程中，由于学生之间学习能力、学习兴趣和接受能力的差异，做了不同难易程度的安排。在基本实验中，一般先安排一个比较简单的内容，然后在此基础上附加更高的要求作为选做项目提供给学有余力的学生；在综合型、设计型实验中，实验本身就有难易的差异，学生可以根据自己的情况自主选择。在实训和综合训练中也是充分给予学生自主权，对于项目控制要求不做硬性规定，学生可以根据自己的能力来简化或增加难度。这样给予学生足够的自由，从易到难，在获得成功的喜悦后，学生的兴趣和学习动力进一步提高。

而对于那些更优秀的学生，鼓励他们自主学习，“学好该学的、学习想学的”，并为他们提供多个自主型实验项目，将实验室开放，让他们可以在实验室中通过不断实践，进一步挖掘更深的内容，提高自身水平。同时，鼓励他们加入西门子PLC实践平台，进行各种创新性实践，参加各种学科竞赛，通过走出校门参加各种比赛来开阔视野，让自身的各种能力得到提升。

6　结语

将递进式的教学模式引入PLC控制技术实践教学中，由易到难地设置实践项目，项目组教师共同编写实验、实训指导书，统筹实施，克服传统课程教学模式的不足，体现了学生的主体地位，转变了“教与学”的关系。通过改进教学方法，有效激发学生学习的积极性，学生感觉易入门，对基础知识的理解也更加深刻，同时进一步提高了发现问题和解决问题的能力，使动手能力和创新意识得到明显提高。如表2所示，近几年的实践表明教学效果良好，学生对任课教师的教学评价在学院中名列前茅，不少学生利用业余时间和暑期积极参加“西门子杯”全国大学生工业自动化挑战赛和电气控制应用大赛，成绩斐然。实践教学是大学本科教学中一个至关重要的环节，如何改革教学内容、教学方法，培养出符合企业与社会需要的高质量人才，是高校教育者面临的一个恒久的课题，在今后的教学过程中将不断探索、研究与实践下去。■

表2　历年来学生获奖情况统计表

［1］蒋立勇，李相银，徐永祥.分层次递进式物理实验教学新模式的实践［J］.物理工程，2010，20（2）：5-8.

［2］王南兰，彭琛，陈日新，等.改革实验教学体系培养学生创新精神［J］.实验室研究与探索，2011，30（8）：163-166.

［3］魏克湘，刘迎春，董丽君，等.T程应用型人才培养实践教学体系的研究与实践［J］.中国大学教育，2011（1）：52-57.

［4］张洪田．构建开放式实践教学体系培养T程应用型人才的探索与实践［J］．中国大学教育，2011（8）：63-68．

［5］王阿根.西门子S7-200PLC编程实例精解［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［6］米洁，高宏.递进式实践教学模式的探索与实践［J］.实验技术与管理，2012，29（2）：138-140.

［7］熊芳，刘甫.开放性实验室培养创新人才的实践与研究［J］.中国科技信息，2013（1）：144.

［8］过希文，李国丽，陈权，等.电气工程基础课程实验教学模式的研究与实践［J］.中国电力教育，2013（10）：87-88.

［9］陈卫增，胡永举，等.工学结合“分层递进”式技能实践教学体系［J］.实验室研究与探索，2013，32（5）：194-197.

［10］陈东辉，江敏，钱平.电气工程专业工程实践教学体系的构建［J］.实验室研究与探索，2013，32（11）：193-196.

［11］侍寿永.S7-200 PLC编程及应用项目教程［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［12］龚威，等.实例解读西门子PLC［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［13］魏玉芬，李雨，等.“四实一体”递进式立体化教学模式探索［J］.通化师范学院学报：自然科学，2014（6）：69-71. ［14］王万强.工业自动化PLC控制系统应用于实训［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［15］肖莹，李宏昭.电气自动化技术专业人才培养体系研究［J］.中国电力教育，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