基于工程思维的电气控制与PLC技术课程改革与实践

王 丹

梧州学院机械与材料工程学院 广西梧州 543002

电气控制与PLC技术课程是自动化专业的专业基础课。主要解决制造装备方面电气设计与PLC控制方面的问题。自从应用型本科建设[1]和新工科建设[2-4]提上日程，工程思维[5]引起了广泛关注。电气控制与PLC技术课程一直以来在工程运用中占有非常重要的位置[6-7]，尤其是在新工科建设中，属于智能制造方向的分支，因此基于工程思维的电气控制与PLC技术课程改革迫在眉睫。

1 从工具思维到工程思维

传统的电气控制与PLC技术课程教学分为2个部分，存在如下问题。

(1)各知识点孤立。电气控制部分涉及接触器、继电器、主令电气、按钮、开关等低压电气元件的介绍，典型线路的电气控制等。PLC技术涉及PLC原理、数字量、模拟量、基本指令、通信等。每一个知识点都是一个小节内容，包括原理介绍、运用举例等。这些知识点是一个个散的点，没有融合起来，因此对于电气控制和PLC技术的知识体系，学生没有搭建完成。

(2)知识点过于陈旧，缺乏实际工程背景。新型的控制设备，元器件等很少介绍。教学案例多采用的比较陈旧抢答器之类的，缺乏实际工程背景支撑。

(3)理论重于实践。传统的教学中，电气控制部分在介绍电气原理图的设计时，包括选型、画图等讲解了之后，没有真正地让学生针对某一个任务进行电路图的设计，也没有使用电工工具进行电路布线等操作，几乎是按照课本浏览了图片。PLC技术部分重点放在了单个指令的使用，没有进行工程项目的训练，同时实验室的教学设备，输入输出等接口内部已经接好，学生只需要插线就可以，没有亲自动手了解其输入输出接线的原理与规则，导致很多学生到了现场，不知道实际PLC输入输出的接线规则。

传统的电气控制与PLC技术课程侧重于工具思维的培养，教育学生使用电气元器件、PLC控制器这些工具，在解决某一个具体问题时，学生可以根据所学知识进行解决，但是面对一个实际的工程，学生缺乏解决这个工程的工程思维。在课程中工程思维体现在以下几方面。

(1)设计方案

对于项目设计，首先控制要分析需求，根据实际需求，理论计算和实际分析相结合，设计电气控制方案和PLC技术的软件方案。在设计方案时，需要团队合作，共同协商。

(2)选型

根据设计的方案，考虑可行性、可靠性和经济效应，选择电气元器件和控制器的型号、品牌、数量等。在选型时，要注意选择最合适的，而不是最好的。

(3)画图和编程

根据系统方案和选型结果，进行电气原理图的绘制，需要掌握电气原理图绘制的规则及标准。软件方面，需要配合电气元件进行程序的编写。这个过程中要有权衡得失的思维，例如用软件编程解决还是用硬件电路解决，需要综合考虑，站在电控系统整体的高度权衡利弊。

(4)电控柜的制作及布线

根据电气原理图制作电控柜，同时完成布线。需要掌握布线的规则、接线方法、常用的电工工具的使用。这个过程中需要抓住重点，例如布线的时候，电源线和信号线的安排等。

(5)设备调试

完成电控柜的安装之后，进行调试。需要掌握调试的方法、调试工具的使用及调试的思维。

(6)项目文档

调试完成之后，需要完成使用手册与说明，方便使用者使用。

以上是基于PLC控制系统方面的工程项目，从开始提出需求到最后完成需要的步骤，这些步骤要完成，就需要具备工程思维的能力。因此把一个项目拆分成6步，按照这些步骤引导学生去完成，从而锻炼学生的工程思维能力。如果课时比较少，可以分组完成，电气和软件2部分共同协作。

2 基于工程思维的课程体系的教学实践

工程项目：基于PLC的电熔焊智能监控系统设计。该项目由东莞某机器人公司提供，需要解决通用电熔焊机在焊接新能源汽车电机定子引线时精度不稳定、一致性不高的问题，因此经工程师们协商方案，采用以监控引线端子厚度为主控制、焊接时间为辅控制的控制方案。该项目设计到的知识点包括了低压电气的选型、控制原理图、电控柜布线、控制方案设计、PLC的数字量、模拟量、高速捕获，总线通信等。将该工程项目拆分成6个步骤，设计任务书，5～6人为1个小组。

(1)需求分析与方案设计

任务要求：

第一，讨论需要监测和控制的参数，如该项目需要监测引线端子厚度、电极压力、气压、流量、焊接电流、时间等。

第二，讨论监测参数的方法。

第三，讨论控制参数的方案。

课时：理论4课时+课下讨论。

说明：理论4课时，教师有3个部分的任务，首先，需要组织学生讨论，分析项目需求；其次，引导学生查阅资料，讨论可行的方案；最后，对学生提供的方案进行点评，提出合理建议，并评出获得全班最优方案的小组。

(2)选型

任务要求：

第一，根据方案确定PLC控制器型号、通信模块型号。

第二，确定传感器型号，如该项目涉及光栅尺、扫码枪、压力传感器、流量传感器、电气阀门等。

第三，确定低压电气元器件型号。

课时：课堂8课时+课下讨论。

说明：课堂8课时，分为2部分，首先，在学生完成需求分析与方案设计之后，正式选型之前，引导学生查阅资料，理解选型的原则与思路，掌握选型时计算方法与需要考虑的经济、实用等现实问题。其次，学生完成选型后，分组汇报选型结果后组织大家互相点评。点评后教师集中点评，提出建议，并评出获得全班最优方案的小组。

(3)画图与编程

任务要求：

第一，根据控制方案和选型结果，确定电气原理图模块和软件程序模块。此项目中电气原理图模块包括：主控制器模块，通信模块，模拟量模块，扩展模块等。软件程序模块包括：流程模块，自动焊接模块，手动调试模块，报警模块，记录数据模块等。

第二，分工。根据总框图分工完成电气原理图绘制和程序编写。

课时：课堂32课时+课下讨论。

说明：在此阶段，需要细分步骤和分析模块，引导学生拆分任务，并阶段性地组织讨论，引导其完善任务。在此阶段中，涉及比较多的知识点，需要教 师罗列出来，并引导学生在完成任务时将其掌握。此环节需要评出获得全班最优方案的小组。

(4)电控柜制作与布线

任务要求：

第一，根据电气原理图和元器件，设计电控柜的布局图。如电源线和控制线分开布线，地线端子统一布置，控制器与其他模块之间的间距等。

第二，根据电控柜布局图展开讨论，改善不合理的部分。

第三，根据完善后的电控柜布局图进行布线。如工具的使用，线型的分配，线色的安排等。

第四，检查线路。例如，使用万用表检查控制器模块电源线是否正确等。

课时：课堂8课时+课下。

说明：此步骤需要课下花大量时间完成，涉及动手操作与实际运用，教师要引导学生多尝试，在确保安全的情况下进行。此环节需要评出获得全班最优方案的小组。

(5)设备调试

任务要求：

第一，手动模式下，调试各传感器线路，包括数字量输入输出、模拟量输入输出、通信测试等。

第二，手动模式下，测试焊接过程的逻辑是否合理。

第三，自动模式下，测试自动焊接。根据焊接过程出现的问题，修改程序或者线路的错误。

课时：课堂14课时+课下讨论

说明：此步骤涉及到逻辑思维能力与发现问题、解决问题的能力，是最难的一个步骤，教师需要提出方式和方法，引导学生思辨。此环节需要评出获得全班最优方案的小组。

(6)项目文档

任务要求：完成使用手册的撰写。

课时：课堂2课时+课下讨论。

说明：此步骤可以参考以往实验室设备的说明书模仿完成。此环节需要评出获得全班最优方案的小组。

3 课程考核方式和评价的教学改革

考试形式可采用“考试成绩30%+平时成绩70%”的形式，以下是评分过程与方法。

将项目的每个步骤抽出，并列出任务清单，学生每完成一个任务，进行一次评分，包括课堂的讨论与实际完成的情况。根据每个步骤的难易程度，列出分值的权重。例如此项目，6个步骤权重分别为10%，10%，20%，10%，10%，10%。在每一个步骤中，可将任务清单细化，由若干个小的任务组成，每个小任务根据难易程度列出分值的权重。

加分项。讨论环节，如果有表现特别积极，或者有创意想法的个别学生，酌情加分。

PK项积分。小组方案PK时，每次赢的小组可以获得集体加分项。

4 教学效果

4.1 积极性

发布任务主题时，学生已经表现出了极大的兴趣，后续环节在推动时，积极性更是非常高，主要表现在如下几个方面。

(1)查阅资料。以往的教学中，几乎涉及不到需要学生查阅资料的环节，即使是需要学生查阅资料，学生完成度也不高，或者目的性不强。但在此次项目中，几乎在课本上找不到现成的答案，学生只能通过上网查阅文献，或者在图书馆查阅资料、获取信息。据统计，学生在整个任务过程中，平均阅读文献数目为30篇，最高纪录有学生阅读文献102篇。同时，在阅读文献时，由最开始的每篇精读，到后面选择性地阅读，大大提高了自己阅读文献的能力与提取信息的能力。

(2)讨论问题。传统教学的讨论问题，只集中在课堂上，课下学生各自完成作业即可，不需要讨论问题，而在此任务中，难度加大，大家彼此查阅资料后，需要交流，获取信息与思路，因此经常私下组织讨论。

(3)提问题。以往课堂上，教师提出问题，学生回答即可，极少学生主动问问题。此次任务中，学生遇到的问题非常多，关于具体知识点或者关于总体规划等各个方面，思辨的机会大大增多。

4.2 认知

学生通过完成项目的训练，对自动化专业有了比较深的认知，对智能制造行业也有了比较大的兴趣，有学生在这门课程结束后，就提出要利用暑假时间到给相关企业实习，继续深入地实践，而以往学生暑假一般是旅游或者在家休息。同时，有不少学生在课程结束后，有了新的点子，并咨询教师和工程师，想要将想法变成产品。

4.3 实践能力

由于此项目需要完成一套监控系统，所以学生的实践能力在做任务的过程中慢慢提高，动手的实践经验也慢慢积累下来。例如有学生课后总结时提到，刚开始连剥线钳都不会使用，但是项目结束后，已经熟练地掌握了拨线的力度、方向、距离等。

5 结语

在多方面协作的情况下，完成电气控制与PLC技术课程改革。首先是企业的项目来源支持、技术支持、师资培训的支持，然后是学校加大改革力度与形式的支持，第三是教研室教师集体讨论任务清单，实施过程的引导等支持。此次改革，让学生从完成一个实际项目入手，不仅掌握了课程的知识点，同时工程思维能力也得到极大的提高，为其后续进入企业实习打下基础。