“PLC电气控制与组态设计”课程教学研究与实践

李文娟,周美兰,戈宝军

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨 150040）

“PLC电气控制与组态设计”课程教学研究与实践

李文娟,周美兰,戈宝军

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨 150040）

针对可编程控制器实践性强的特点,提出了PLC电气控制系统设计与组态监控设计相结合的“PLC电气控制与组态设计”新课程。在进一步明确本课程的教学内容和学时分配的基础上,从课堂教学、教学手段、教学研究、实践教学几个方面对本课程的教学方法进行了研究。实践结果表明,本课程的教学内容安排是合理的,监控组态技术的应用大大增强PLC实验课的教学效果,提高学生的编程技巧和动手能力,丰富学生的工程实践经验,达到全方位教学的目的。

可编程控制器;组态设计;教学方法

0 引言

可编程控制器(PLC)是自动控制技术、计算机技术和通讯技术三者结合的高科技产品,它作为一种通用的工业自动化装置,在工业控制各个领域已得到了广泛的应用。PLC的应用技术实践性非常强,实践环节至关重要,只有通过实验进行实际操作,才能真正学会可编程控制器技术。但这些实验都是以实物为基础,这给PLC的实验教学带来了一定的困难。监控组态软件具有远程监控、数据采集、数据分析、过程控制等强大功能,在自动化系统中占据主力军的位置,逐渐成为工业自动化系统中的灵魂。

“PLC电气控制与组态设计”课程在PLC技术基础上,将监控组态技术应用到PLC的实验教学中,提出了PLC电气控制系统设计与组态监控设计相结合的新课程内容。该课程内容可使学生分层次了解PLC从硬件结构到软件设计的各部分内容,并通过组态软件对所设计的工业控制系统进行仿真,从而培养了学生应用PLC进行系统设计的能力,为学生日后在电气自动化领域从事生产和科学研究奠定了坚实的基础。

1 教学内容研究

为了使学生更好地学习和掌握PLC电气控制技术,经过多年的教学实践最终确定了本课程采用如表1所示的教学内容和学时安排,该课程总的教学学时为42学时,其中实验占14学时。

表1 “PLC电气控制控制与组态设计”课程教学内容及学时分配

2 教学方法研究

“PLC电气控制与组态设计”课程为电气工程及其自动化专业的主干专业课程,目前每年校内必修教学人数420人左右;选修、辅修该门课程的学生涉及自动化学院、机械动力工程学院、测控技术与通信工程学院等6个学院。在多年的教学过程中我们重视教学方法的研究,采用了多种行之有效的教学手段。

2.1 采用启发式和研究式课堂教学

课堂教学的目的不仅是传授知识,更重要的是启发思维,这一原则应贯穿于教学过程的始终。所谓启发思维,最主要的是教给学生分析问题、解决问题的思想和方法。例如,在讲解可编程控制器FP1指令时,可以引导学生先绘制梯形图,再启发学生根据梯形图写出相应的指令表,最后结合梯形图和指令表重点强调相关指令的作用和使用注意事项。同时,教学过程中应注意趣味性,无论教师的自我感觉如何良好,只要学生不爱听,一切皆成空话。例如,在讲到PLC的编程及应用时,我们以电梯的控制为例,同时适时地加入监控组态软件实现,将电梯的运行过程动态地模拟出来,学生看到了控制的结果,极大地激发了他们的兴趣,能够积极地思维并展开热烈的讨论。因此,教师应该采用多种方法调动学生的听课兴趣和思维能力,从重视知识传授向重视解决工程实际问题的模式转变,培养学生研究式、探索式和自主学习的能力。

2.2 充分利用现代化教学手段

在2003年本课程就实现了多媒体化。多媒体课件经过多年的使用和不断改进,已经日趋完善,全面实现了计算机辅助教学。课件将文本、图形、三维动画相结合直观展现了PLC所进行的控制过程;课件的制作力求做到既体现出计算机辅助教学的优势,又能吸取传统教学方式的长处,用监控组态技术动态模拟PLC的控制过程,使学生能真实地看到所编制程序的控制效果,以加强学生对PLC指令的理解和使用。2008年建立了该课程的网站(网址是http://www1.hrbust.edu.cn/xueyuan/ele/p lc/shouye.htm l),网站的首页如图1所示,所有的多媒体课件、教案、习题和习题答案等相关教学资料均上网,并启用了网上答疑,增加了师生之间的互动交流;同时在网站上还建立了网络课堂、虚拟网络实验,极大地方便了学生的学习。

图1 “PLC电气控制与组态设计”课程网站首页

2.3 加强教学研究

教师本身的高素质是提高学生素质的先决条件。教师对所教课程知识应做到专,同时对有关知识应做到博。为做到这一点,多年来,我们一直将科研与教学研究置于同等重要的地位。在实施和完成国家和省部多项科研项目的同时,还同时承担“电气工程CA I课件的研制与应用”、“面向老工业基地工程技术型人才培养模式的研究与实践”、“PLC电气控制CAI组态仿真实验系统”等黑龙江省新世纪高等教育教学改革工程项目和校内多项教学研究课题。课程组成员在《电气电子教学学报》等期刊上发表了多篇教学研究论文,代表性的有“基于多组态平台工控设备虚拟仿真实验教学的研究”、“基于组态技术虚拟被控对象的PLC仿真试验研究”和“组态技术在PLC实验教学中的应用”。

2.4 将科研实际问题带入课堂

重视研究性学习、探究性学习、协作性学习等现代教育理念在教学中的应用。将一些与课程内容有关的实际问题带入课堂,例如在学习PLC应用编程时,将老师为某企业所做的锅炉控制系统作为例子,讲清锅炉控制背景,提出点火和熄火的控制要求,让同学自己分析,确定编程思想,分配I/O点数,实现并模拟出锅炉的点火和熄火控制。这样做使学生认识到自己的学习与科研实际是相关的,还有很多高技术的实际问题是要用现在所学习的知识去解决,这就激发了学生学习的积极性,也吸引了许多学生与老师一起思考,并提出很多建设性意见,为老师的科研提供了很好的思路。

2.5 注重实践教学,开设研究创新型实验

“PLC电气控制与组态设计”这门课实践性强,因此在实验环节上,课程组给予了高度的重视。课程组开发了PLC控制组态综合仿真实验系统。该实验系统首次将PLC的电气控制系统设计与组态监控设计有机结合起来,解决了用传统的实物方法开设PLC实验课难,或无法开设实验课的问题。利用组态软件全真模拟PLC的控制对象,不需要实物而通过微机就可检验所编程序的正确与否和执行结果,这给学生提供了很大方便,也为PLC的实验教学提供了一条新的思路,收到了较好的教学效果。

在进行实践教学时把重点放在加强基本训练、提高工程能力和创新能力上,确定了基本型、提高型(综合型、设计型、应用型)与研究创新型的实践教学形式,形成了由教师提出任务,学生自主选择实验装置和实验方法、确定实验步骤、分析判断实验结果的新模式。如“自动售货机PLC控制组态仿真实验”和“五层楼电梯PLC控制与组态设计实验”。指导教师只是指导学生弄懂基本原理,学生根据实践条件设计出切实可行的实践方案。研究创新型实践带有一定的探索性或创新性、也具有很强的实用性,学生参与实验的积极性很高,同时在实践中得到了锻炼。

此外课程组还将课外科技创新实践活动与课程实验教学环节相结合,组织、指导有兴趣的学生参加电子设计、机器人、挑战杯大赛等活动,通过此类活动提高学生对课程的学习积极性,加深对课程内容的理解,学会运用所学知识分析解决实际问题的方法,培养学生的创新实践能力。

3 实践与效果分析

经过十多年的发展,“PLC电气控制与组态设计”课程已经成长为我校电气工程及其自动化等专业的一门主要专业课。在学校的大力支持下,本门课程于2008年被评为黑龙江省省级精品课程,2009年将冲击国家级精品课的评选。教学小组一直进行着坚持不懈的探索与改革,在本课程的发展规划、人才培养模式、课程体系与教育思想、教学内容与方法的改革、课程实验、计算机辅助教学与多媒体教学软件的研制、考试内容与方式的改革以及标准化试题库的建立、网站的建设等方面都取得了全面、系统的成果。

本课程教学小组始终重视教材建设,注意教学内容的科学性、先进性与启发性。由主讲教师周美兰教授主持编写的《PLC电气控制与组态设计》一书于2003年5月由科学出版社出版,到2008年3月已进行了第六次印刷,共印刷14500册。全书内容丰富、思路清晰、在国内首次将PLC电气控制系统设计与组态监控设计结合起来,进行PLC控制系统设计教学。利用组态软件全真模拟PLC的控制对象,为PLC的教学、实验提供了一个全新的方法。该书为21世纪高等院校教材,获得同行及权威专家的书面好评,多所高等院校也采用本书作为教材或参考书。该书的第二版将在2009年5月由科学出版社出版。

为改善实验教学条件,教学小组研制了“PLC电气控制CA I组态仿真实验系统”,经专家鉴定认为该实验系统具有国内领先水平,属国内首创,获得了校教学成果一等奖,黑龙江省教学成果二等奖。该实验平台自 2001以来一直用于我校各专业的“PLC电气控制与组态设计”的教学中,极大地方便和改善了课程实验教学的条件。该CA I组态仿真实验系统课件随书已出版发行了14500套。从教学意义上来说,用计算机全真模拟被控对象,不但可以克服采用真实被控对象的缺点,而且可以用有限的设备、低廉的成本、多样化的程序,来丰富学生的实验课内容,大大增强PLC实验课的教学效果,提高学生的编程技巧和动手能力,丰富学生的工程实践经验,达到全方位教学的目的。自2001年以来,我们利用所研制的PLC控制组态仿真实验系统和自制的简单实验设备为学生开设了多种实验,收到了良好的教学效果。

4 结束语

PLC电气控制是电气工程领域的一项重要技术,在工业控制中得到了广泛应用。“PLC电气控制与组态设计”课程将监控组态技术应用到PLC的仿真实验中,为PLC的教学、实验提供了一个全新的方法。本文在研究课程教学内容和学时分配的基础上,从课堂教学、教学手段、教学研究、实践教学几个方面对本课程的教学方法进行了研究。结果表明,

本课程的教学内容安排是合理的,监控组态技术的应用大大增强了PLC实验课的教学效果,提高学生对课程的学习积极性,加深了对课程内容的理解,学会了运用所学知识分析解决实际问题的方法,培养了学生的创新实践能力。

[1] 周美兰,周封,王岳宇.PLC电气控制与组态设计.北京:科学出版社,2003

[2] 周美兰.组态技术在PLC实验教学中的应用.自动化技术与应用,2001,(6):33-35

[3] 周永勤.基于多组态平台工控设备虚拟仿真实验教学的研究.电气电子教学学报,2005,2007(1):76-78

[4] 田思庆,吴桂云.“自动控制原理”课程的教学研究与实践.电气电子教学学报,2008,30(2):112-114

[5] 吴小萍,蒋红斐,涂 鹏.土木工程专业双语教学的研究与实践.长沙铁道学院学报(社会科学版),2009,10(1):1-2,12

李文娟(1968-),女,工学博士,教授;

周美兰(1962-),女,工学博士,教授。哈尔滨理工大学电气与电子工程学院教学副院长。