“电气控制与PLC原理”课程综合性实验教学探索与实践

曹胜敏，马 壮

(唐山学院 智能与信息工程学院， 河北 唐山 063000)

学生的工程实践能力是衡量高等工程教育教学质量的重要指标。“工程教育的人才培养必须面向工程实际，加强工程训练。”[1]因此，根据《关于开展新工科研究与实践的通知》对学科专业建设提出的要求以及《工程教育认证标准》[2]对工科学生工程实践能力的毕业要求，对“电气控制与PLC原理”课程的实验教学进行探索。

1 “电气控制与PLC原理”课程设置情况

“电气控制与PLC原理”课程在本科自动化类和机电类专业中均有设置，包含电气控制和PLC原理及控制两部分内容。这两部分内容，有的专业分开设课，有的合并设课。虽然课程名称、课时量和开设方式不同，但内容差别不大。

“电气控制与PLC原理”在自动化专业的课程设置中是合并设课，课程大纲要求掌握的三部分内容为：一是电气控制部分——低压电器、单元控制电路、典型机床控制电路；二是PLC部分——PLC的工作原理、硬件与软件系统、程序设计方法、通信与网络；三是实验部分——电气控制实验和PLC实验。其中，实验教学是重要的课内实践环节，实验均依托实验装置，但是设备选型和关键接线已经固化，学生只需简单接线操作和程序的输入验证即可完成实验，因此学生无法实现对知识的系统性学习。

2 综合性实验设计

2.1 综合性实验设计思路

为培养学生解决实际工程问题的能力，加强学生对所学知识的应用能力，开设综合性实验是一种有效的措施。综合性实验是指学生在掌握了相关基础理论知识和技能后，综合利用一门或多门课程知识对实验内容、方法、技能进行综合性训练的一种复合性实验。

根据《工程教育认证标准》，以培养学生解决复杂工程问题能力为目标，参照“工程知识”“问题分析”“设计/开发解决方案”“研究”“使用现代工具”“沟通”“终身学习”等方面的毕业要求，确定“电气控制与PLC原理”课程综合性实验的具体内容与要求。

在课程学习阶段，学生已经掌握了电机和传感器等相关知识，掌握了电气控制部分的单元控制电路、PLC指令系统和PLC编程方法，并有验证性实验的学习经历。在掌握相关知识的基础上，学生需要脱离实验设备，根据要求完成从电源到控制终端的完整的PLC控制系统的设计、安装、调试的实验课题，并整理资料，以获得工程体验。此综合性实验课题包含电气控制、PLC控制、电机、变频器、检测、供电等知识，涵盖方案确定、硬件选择、导线选择、变频器参数设定、PLC程序设计等过程，涉及计算机绘图、电路安装、系统调试等技能，将“工程知识”等几个方面的毕业要求融入整个实验教学过程，从而促进学生提高应用所学知识“解决复杂工程问题”的能力。

在此设计理念下设计了综合性实验课题：“三相交流电动机多段速控制系统”“蔬菜大棚温度控制系统”和“教室照明智能控制系统”，这3个课题构成了整个“电气控制与PLC原理”课程的综合性实验内容，涵盖了此课程的主要知识点。

2.2 综合性实验的教学组织

在综合性实验的教学组织和实施过程中，将实验分为3个阶段。第一阶段为启动与准备阶段。在“电气控制与PLC原理”课程开始时，教师将综合性实验的意图和内容进行介绍并招募成员，每个实验课题组以3-4人为宜，然后教师说明综合性实验的进度要求。第二阶段为综合性实验的实施阶段。在教师讲完课程的每个知识点后，课题组针对相关问题完成预定的阶段成果并进行汇报。在课程结束后，课题组进行系统电路的安装和调试。第三阶段为项目文件整理、成果提交和验收阶段。

3 综合性实验的要求、原理和方案——以“三相交流电动机多段速控制系统”课题为例

3.1 实验要求

“三相交流电动机多段速控制系统”综合性实验课题以导线生产过程中的卷绕速度为控制对象，导线卷绕系统将成品导线卷绕到卷轴上，卷轴直径随着卷绕的时间逐渐增大，为使导线受力均匀，要求卷轴的转速随时间逐渐降低，利用变频器多段速控制如下：

系统正向卷绕，按正转启动按钮，为保证启动过程平稳，设置启动时间为15 s到达最高速的工频50 Hz，20 s后第一层绕满，电机改以47 Hz频率运行绕制第二层，再20 s后电机以44 Hz频率运行绕制第三层，再20 s后电机以41 Hz频率运行绕制第四层，再20 s后电机以38 Hz频率运行绕制第五层，再20 s后电机以35 Hz频率运行绕制第六层，再20 s后电机以31 Hz频率运行绕制第七层，再20 s后停止。如果中途按停止按钮停止后再次启动，需保持停止前的速度。

3.2 实验原理

转速公式：

式中，f为电源频率，p为极对数，s为转差率。

根据转速公式，三相交流电动机的调速方法有三种，即：变频调速、变极对数调速和变转差率调速。本例即为变频调速，采用变频器输出七种频率实现电机的七种转速，并利用PLC实现控制逻辑。

选用变频器FR-E500。变频器的控制端RH，RM，RL组合构成七种有效频率使电机实现七段速，如图1所示。变频器1-7速对应的参数分别为Pr.4，Pr.5，Pr.6，Pr.24，Pr.25，Pr.26，Pr.27。利用PLC数字量控制程序控制变频器RH，RM，RL3个端子的状态实现控制要求。

图1 变频器七段速

“三相交流电动机多段速控制系统”原理如图2所示。选用PLC为S7-1200CPU1214C，AC/DC/RLY型，订货号为6ES7214-1BG40-0XB0，电源电压为220 VAC，DI电压为24 VDC，DO电压为24 VDC或220 VAC。变频器的主电路电压为380 VAC，控制电路电压为24 VDC。PLC数字量输出端与变频器的转向、速度控制端按图2接线。

图2 “三相交流电动机多段速控制系统”原理图

3.3 实验实施方案细则

教师为每个实验制定实施细则，按课程进度将任务细化，要求学生学完相应知识点后完成相应的任务和考核目标，提交相应的成果，确保完成综合性实验，详见表1。

表1 “三相交流电动机多段速控制系统”综合性实验实施细则

续表

4 结论

用综合性实验将“电气控制与PLC原理”以及相关课程的各个知识点串联起来，脱离实验设备，按照工程要求设计实验方案、绘制系统电路图和接线图、选择设备并进行安装调试、整理文件，使学生体验了完整的工程问题解决过程。指导教师在指导实验的过程中，增加了与学生的接触，不仅可以发现学生对知识的接受程度和接受能力，还可以发现学生接受知识的风格特点，这使教师的课堂教学更有针对性、更有活力[3]，取得更好的教学效果。

通过对24个综合性实验组进行为期2年的“电气控制与PLC原理”综合性实验训练，笔者得到实验组成员的以下4点反馈：一是在实验的过程中，通过有效沟通和交流，能发挥团队合作优势，提高协作能力；二是认识到解决实际问题过程是基础知识、专业知识和专业技能的综合应用过程；三是体会到要圆满完成一个项目，每一个环节都要精益求精，都需要进行深入研究；四是学到了课程以外的知识，提高了学习兴趣，增加了学习动力，希望完成更多课题。

可见，综合性实验的实施符合新工科“创新工程教育方式与手段，推动新工科自主发展自我激励机制”的理念，对培养学生解决复杂工程问题的能力有极大的促进作用。