電氣控制與PLC課程教學(xué)改革研究論文
摘要：電氣控制與PLC課程具有知識面廣、技術(shù)應(yīng)用性強(qiáng)和涉及學(xué)科廣等特點(diǎn)，已經(jīng)成為自動化相關(guān)專業(yè)的主干課程。在信息化和工業(yè)化深度融合的大背景下，以現(xiàn)有的PLC教學(xué)模式為基礎(chǔ)，應(yīng)用多種信息物理系統(tǒng)（CPS）關(guān)鍵技術(shù)，融合多學(xué)科知識，對基礎(chǔ)理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)模式和教學(xué)設(shè)備進(jìn)行升級改革。
關(guān)鍵詞：電氣控制與PLC；CPS；升級改革
從現(xiàn)有的PLC教學(xué)模式來看，教師通過PPT講解，按章將電動機(jī)或其它執(zhí)行電器為控制對象的控制原理和編程方法授予學(xué)生，但是授課內(nèi)容無實(shí)物對照，其概念、原理和方法都比較抽象，課堂沉悶，學(xué)生極易產(chǎn)生厭煩心理，對課程失去學(xué)習(xí)興趣�，F(xiàn)有的PLC教學(xué)方式難以滿足國家社會對工程科技人才的需要。本文在分析了該課程的特點(diǎn)、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)現(xiàn)狀以及學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對該課程的理論教學(xué)環(huán)節(jié)及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)提出具體的改進(jìn)措施。
一課程升級總體思路
在現(xiàn)有的教學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)CPS關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)出基于西門子S7-200系列PLC控制器（或者西門子S7-1200、三菱FX2N）、仿真軟件PLCSIM、PLC編程軟件FXGPWINV3等軟件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺�？傮w思路如下：
（1）基礎(chǔ)理論教學(xué)環(huán)節(jié)。PLC教學(xué)的根本是課堂基礎(chǔ)理論教學(xué)�，F(xiàn)如今，課堂教學(xué)廣泛采用多媒體教學(xué)方式，使得教學(xué)方式更加靈活。但是，PLC器件多樣復(fù)雜，內(nèi)部機(jī)構(gòu)無法直觀展現(xiàn)；單純的PLC程序講解抽象難懂，不能直觀展現(xiàn)程序控制器件的實(shí)際情況。因此結(jié)合CPS關(guān)鍵技術(shù)，加入虛擬平臺互動環(huán)節(jié)。學(xué)生對于課上講解的控制電動機(jī)或其它執(zhí)行電器，可以通過手機(jī)、電腦等終端產(chǎn)品進(jìn)行在線實(shí)物瀏覽，實(shí)現(xiàn)在線虛擬鏈接線路，掌握執(zhí)行電器的功能和應(yīng)用，同時與教師進(jìn)行互動。
（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。PLC實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是課程教學(xué)必不可少的組成部分，可以將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用能力，幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識。但是，很多高校普遍存在，實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目僅限于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際工程項(xiàng)目相關(guān)性不大，學(xué)生自主編程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不多，不利于提高學(xué)生實(shí)際運(yùn)用能力。因此，設(shè)計(jì)與實(shí)際工程項(xiàng)目聯(lián)系緊密的實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合CPS關(guān)鍵技術(shù)，融合虛擬技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，模擬實(shí)際工程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)備的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，加強(qiáng)了信息空間和物理空間各要素的相互映射，達(dá)到適時交互、高效協(xié)同的目的。
二課程升級具體實(shí)施方案
�。ㄒ唬┗A(chǔ)理論教學(xué)
在基于PLC現(xiàn)有基本理論教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。學(xué)生在平臺上可以獲得各種相關(guān)教學(xué)信息，并不受時間地域限制完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容和提交報(bào)告，打破傳統(tǒng)課堂時空的局限，學(xué)生還能夠在網(wǎng)上進(jìn)行與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的基礎(chǔ)知識測試、完成填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的功能，進(jìn)一步減輕了教師工作量，同時方便教師查看學(xué)生成績。新加入虛擬互動演示環(huán)節(jié)：在虛擬平臺上，演示基本器件的功能，以及具體程序如何控制電動機(jī)或其它執(zhí)行電器，具體的功能演示代替以前的純程序設(shè)計(jì)講解。
�。ǘ┤夗�(xiàng)目
三級項(xiàng)目以討論課的形式開展實(shí)施。學(xué)生在討論課中，主要的工作就是編寫程序，進(jìn)行西門子仿真，在虛擬平臺上，對三級項(xiàng)目程序編寫過程進(jìn)行優(yōu)化，學(xué)生登陸操作平臺，獲取三級項(xiàng)目要求，觀看項(xiàng)目預(yù)期效果演示。對照項(xiàng)目要求進(jìn)行程序編寫。虛擬平臺搭載，項(xiàng)目實(shí)物三維對象，提供實(shí)物接口。學(xué)生把程序輸入實(shí)物PLC進(jìn)行仿真。平臺根據(jù)PLC程序，仿真演示實(shí)物基于程序的實(shí)際的運(yùn)行過程，并且實(shí)時反饋運(yùn)行數(shù)據(jù)供平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)成程序展示效果與項(xiàng)目要求不符或者程序錯誤時，基于仿真反饋數(shù)據(jù)。學(xué)生根據(jù)平臺仿真后，反饋的信息和修改方案對現(xiàn)有程序進(jìn)行修改，修改完畢，繼續(xù)執(zhí)行1、2兩個步驟，直至完成項(xiàng)目。
�。ㄈ┱n程設(shè)計(jì)
根據(jù)需要設(shè)計(jì)新的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目包含醫(yī)療罐裝、立體倉儲、智慧電梯、虛擬碼垛生產(chǎn)線等項(xiàng)目，利于嵌入式、三維建模等CPS等關(guān)鍵技術(shù)對課程設(shè)計(jì)進(jìn)行升級改造，將現(xiàn)有的項(xiàng)目，輸入虛擬平臺建立三維立體模型，用于教學(xué)演示與仿真模擬。學(xué)生通過教學(xué)平臺得到項(xiàng)目要求，在平臺上進(jìn)行程序編寫，利于平臺三維模型演示、數(shù)據(jù)實(shí)時處理、虛擬狀態(tài)反饋與決策優(yōu)化建議對程序進(jìn)行修改和優(yōu)化。嵌入控制主要針對物理實(shí)體進(jìn)行控制。通過嵌入式軟件，從傳感器測量設(shè)備采集被控對象參數(shù)信息而實(shí)現(xiàn)“感知”，通過數(shù)據(jù)處理而“分析”被控對象狀況，通過控制目標(biāo)、控制規(guī)則或模型計(jì)算而“決策”，向執(zhí)行器發(fā)出控制指令而“執(zhí)行”。不停地進(jìn)行“感知-分析-決策-執(zhí)行”的循環(huán)，直至達(dá)成控制目標(biāo)。
三實(shí)踐教學(xué)實(shí)例—虛擬碼垛機(jī)
在立體貨庫中配有一臺全自動碼垛機(jī)，由二臺步進(jìn)電機(jī)和一臺直流電機(jī)控制，可進(jìn)行行走、升降及叉貨控制。堆垛機(jī)在行走方向共有三個限位開關(guān)：左/右極限限位開關(guān)和行走認(rèn)址限位開關(guān)，行走的位置靠碰到限位開關(guān)計(jì)數(shù)來完成。堆垛機(jī)在升降方向共有四個限位開關(guān)：上/下極限限位開關(guān)、一個入庫認(rèn)址限位開關(guān)和一個出庫認(rèn)址限位開關(guān)，升降的位置靠碰到限位開關(guān)計(jì)數(shù)來完成。由于課程設(shè)計(jì)要發(fā)揮進(jìn)一步提高學(xué)生編程能力、故障診斷調(diào)試能力和動手能力的效果，它的完成步驟相較以前的課設(shè)有較大改變。
①學(xué)生閱讀虛擬平臺給出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)要求；
�、诟鶕�(jù)需要在硬件接線平臺上完成主電路和控制回路的元器件選型、布局及接線，選擇按鈕、接觸器、中間繼電器、電動機(jī)等器件，完成實(shí)物接線；
�、弁瓿捎布O(shè)計(jì)后，學(xué)生可通過平臺打開編程器，完成項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)；
④硬件組態(tài)。在設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中選擇所需控制器，并完成Ｉ/Ｏ地址、通信參數(shù)等屬性內(nèi)容配置；
�、莩绦蛟O(shè)計(jì)。添加PLC變量，在主程序中完成程序編寫，在平臺進(jìn)行仿真和程序修改；
�、蕹绦蛳螺d。完成程序調(diào)試后，根據(jù)程序進(jìn)行硬件的連接，并完成程序下載；
�、叱绦蛳螺d后，可基于此平臺完成軟件協(xié)同調(diào)試，返回至仿真平臺的硬件接線平臺，驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)及接線是否正確；
�、帱c(diǎn)擊“開始仿真”并將仿真器置為運(yùn)行狀態(tài)，在實(shí)物接線平臺下方設(shè)計(jì)一排器件操作開關(guān)和按鈕。
點(diǎn)擊“斷路器”上電，按下“正向啟動按鈕”，可以觀察到正轉(zhuǎn)運(yùn)行回路接通，按下“停止按鈕”，電機(jī)停止運(yùn)行。硬件接線平臺可用于觀察電流通路，判別硬件回路接線是否正確。以上步驟，通過動態(tài)虛擬仿真，使學(xué)生掌握PLC控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的基本工作原理，進(jìn)一步理解控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的基本原理和工作特性；通過靜態(tài)繼電器的測試，使學(xué)生掌握各類繼電器的相關(guān)特性�？梢宰寣W(xué)生更好的`操作項(xiàng)目流程的各個步驟，體會實(shí)際PLC項(xiàng)目的操作理念。四教學(xué)成果在整個實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)平臺只提供設(shè)計(jì)思路以及指標(biāo)要求，學(xué)生在設(shè)計(jì)的過程中，自己查找資料，確定項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方案，學(xué)生解決問題的能力明顯提高，由于不受思維的限制，也開發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，學(xué)生參與到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的全過程，設(shè)計(jì)熱情高漲，理論知識掌握牢靠，深刻理解了工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念，專業(yè)素質(zhì)明顯提高。
五結(jié)語
本文提出的基于信息物理系統(tǒng)的電氣控制與PLC課程教學(xué)改革方案，可以讓學(xué)生將理論和實(shí)際相結(jié)合，讓學(xué)生對PLC基本理論有清晰的認(rèn)識，有效的提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、解決問題的能力、動手能力等，對實(shí)際的工程項(xiàng)目流程有清楚的了解，有效的掌握解決工程實(shí)際問題的方法。
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