新工科背景下《可编程控制器原理》课程教学研究

田丽欣

（唐山学院 河北 唐山 063000）

1 引言

在我国工科高等院校中，《可编程控制器原理》是一门实用性很强的核心专业课程，也是一门能力型课程，其包含知识面广，课程应用性、实践性强，可以提高学生的控制系统设计和调试能力，培养学生的工程实践能力和创新能力。尤其随着“中国制造2025”的提出和智能制造的来临，可编程控制器(PLC)广泛应用于自动化生产线和工业机器人等的控制中，在自动化领域的重要性日益凸显，企业对相关技术人才的需求量增大，很多企业在对自动化人才的招聘中，都将掌握PLC技术作为招聘要求之一，因此学生对该技术的掌握至关重要。

在新工科背景下，如果仍采用以理论教学为主的传统教学方式，脱离或较少与工程应用实际联系，对学生工程实践能力和创新能力的培养很难落实。因此，本文针对《可编程控制器原理》的传统教学进行了改革，建立项目式教学法，以工程项目为主体，将枯燥的理论学习融于特定的项目情境中，可以丰富课堂教学内容，提高学生学习兴趣，从而可以真正地提高学生的工程实践能力。

2 项目式课程教学设计思想

在传统教学中，采用以教师、教材、课堂为中心的教学模式，按照教学大纲的要求，以课堂理论教学为主，割裂了知识间的有机联系，学生的知识迁移和创新能力培养不足，且脱离实际工程应用背景，学生学习兴趣不高，对综合应用能力锻炼不足。

针对应用型人才的培养目标，根据企业对应用型技术人才的能力要求，改变传统教学模式的不足，进行以工程应用为背景、以成果为导向、以能力培养为主线的项目式课程教学设计。在教学设计中以《可编程控制器原理》课程为核心，采用项目法与本专业其他相关课程如《电机》 《工厂电气控制》 《变频技术与应用》 《检测与转换技术》 《自动控制原理》等建立课程间内容的有机联系，通过考查、调研等方式，结合目前在科技生产中的典型应用进行设计，整套项目设计的好坏是课程教学改革的关键。

采用项目法对知识进行引出和梳理，避免了单纯理论知识讲解的枯燥乏味，提高了学生的学习兴趣，使学生更容易理解和掌握知识。实施过程以学生为主体，引导学生综合运用知识对工程项目进行实施，从而培养学生的工程实践能力和创新能力。

3 项目设计

项目式教学法的关键是选择并设计好项目。所设计项目既要符合专业领域范畴，又能有效地将课程理论知识融于其中，并综合本学科各门课程知识，达到融会贯通的目的。笔者根据该课程的教学内容和教学要求，并结合目前工业领域对PLC技术的应用需求，对教学项目进行了设计，涵盖了PLC常用控制技术。项目设计遵循由简单到复杂、层层递进的原则，将理论知识与实践操作融为一体。通过项目式教学过程，既能让学生掌握PLC的基本概念，掌握PLC常用编程指令和编程方法，又能了解和熟悉工业控制过程。基础项目设计如图1所示。

其中，项目一：工作台自由往返运动控制，这是学习PLC原理的入门基础，是指通过PLC和行程开关实现电机的正反转控制及自由换向。通过该项目使学生掌握PLC控制与《工厂电气控制》课程中继电器控制的区别和联系，掌握PLC硬件接线设计以及基本I/O指令的应用。项目二：生产线多级传送带的顺序启动控制和逆序停止控制，掌握定时器指令的工作原理和编程应用。项目三：生产线上产品自动装箱打包控制，使学生掌握对计数器指令的编程及应用。项目四：搬运机械手运动控制，使学生掌握用顺序控制设计法进行程序设计的方法。项目五：温度PID控制，使学生掌握PLC对模拟量输入读取和处理的方法，以及如何通过PID控制指令实现温度控制。该项目涉及检测技术、自动控制原理等多门课程知识的综合应用。项目六：恒压供水系统控制，使学生掌握如何利用PLC控制变频器，从而实现对电机的调速，该项目是对检测技术、变频器、电机等多门课程知识的综合应用。项目七：码垛机控制系统设计，通过该项目使学生掌握运用PLC高速脉冲信号实现对码垛机各自由度步进电机的运动控制，实现物料的抓取和堆垛，同时该项目还能锻炼学生对复杂逻辑的编程和调试能力。

通过以上项目的实施，学生不仅能掌握PLC常用控制技术，也能熟悉PLC控制系统的设计开发过程，并将相关专业课程知识构成一个完整的体系。在此基础上，结合当前工业领域，以PLC作为控制器对机床和机器人的控制为主流方向之一，笔者又设计了“定长切割机监控系统”、“平板切割机监控系统”和“多轴联动切割机器人监控系统”三个综合性项目。其中“定长切割机监控系统”以PLC为控制中心，实现对定长步进电机和带锯三相交流电机的控制。“平板切割机监控系统”实现对平面X轴和Y轴两轴的联动控制，从而实现切割三角形、圆形、四边形等平面图形。“多轴联动切割机器人监控系统”涉及到对机器人多个自由度伺服电机的联动控制。项目综合了上位机监控软件开发和下位机控制程序设计，下位机以PLC为核心实现对交流电机、步进电机和伺服电机的运动控制和多轴的联动控制，上位机利用组态软件开发了生动形象、交互性强的人机界面。三个项目以PLC在运动控制中的应用为主，由浅入深，使学生更进一步了解了PLC在工业控制领域的应用，为将来从事相关行业打下一定基础。

4 项目教学法实施过程

项目式教学，将基础知识的学习融于实际工程项目任务的解决过程中。每一个项目的实现包括任务提出、任务分析、控制系统硬件设计、软件程序设计及调试、系统联调和运行五步，以此为主线展开教学。在教学过程中由教师提出设计任务，结合多媒体动画演示分析工艺过程，并引导学生思考任务实现需涉及的理论知识点，再由教师进行梳理和讲解；之后由学生以小组讨论的形式完成控制系统硬件设计，包括PLC的I/O分配、电气原理图的绘制以及程序设计构思，充分调动学生思维，以完成整个项目任务；最后由教师引导，以组间讨论的形式针对每组项目实施中出现的问题进行改进。项目实施过程中通过组态软件和PLC结合进行项目演示，以使学生能直观地了解项目的整个运行过程，克服因教学条件有限造成的课程内容枯燥乏味。

图2为进入基础项目管理系统后运料小车控制的组态画面，可通过该组态画面来输入控制命令，观察运行状态以进行程序调试。所设计的系统项目可以脱离现场设备通过组态画面的形式反映现场运行情况，克服了缺乏现场硬件资源造成演示结果抽象不具体的问题。综合性项目“定长切割机监控系统”和“多轴联动切割机器人监控系统”要求学生自行设计上位机监控画面，根据所学课程由学生自行选择组态软件或虚拟仪器技术等实现上位机的设计。

5 实施效果

通过采用项目教学法对PLC课程进行改革，项目设计以工程应用为背景，以成果为导向，坚持理论与实践相结合。设计的项目与工业控制紧密结合，由浅入深，囊括了PLC控制技术的理论基础，并融合了专业领域多门相关课程知识，建立了专业知识体系。项目教学法的实施既拓宽了学生的知识面，又提高了学生的综合技能，锻炼了学生分析问题、解决问题的能力，培养了学生的工程实践能力和创新能力，为新工科背景下人才的培养奠定了基础。