“电气控制与PLC应用”课程教学理念优化

魏祥林，傅龙飞，王树东

(兰州理工大学1.电信学院电气系，2.技术工程学院自动化系，甘肃兰州 730050)

可编程控制器、PLC机器人和CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱［1］。可编程控制器技术脱胎于继电器控制技术，这两种控制技术具有很强的继承性和互补性，目前在很多高校将这两种控制技术合二为一，开设一门了名为“电气控制与PLC应用”的课程。该课程是自动化类、机电一体化类及电气工程类专业的一门实践性和综合性很强的专业课程，深受学生的重视［2］。在当下各高校陆续实施“卓越工程师培养计划”的背景下，该课程的地位显得尤为重要。

本课程是电气自动化类专业的学生在学习完“电机与拖动原理”、“自动控制原理”和“微机原理及应用”等专业基础课程后的一门专业课，而且是一门核心专业课程。该课程对于促进学生将知识转化为能力，培养学生的工程应用能力、自动控制系统的分析和设计能力具有举足轻重的作用。

1 课程的内涵

电气控制类专业的主干课程群主要包括“电机与拖动原理”、“自动控制原理”、“微机原理及其接口技术”、“电气控制与PLC应用”、“电力电子技术”和“电力拖动自动控制系统”等课程［3］。该课程群的设置体现了电气控制类专业的学生应该具备的知识和能力。每门课程对于完善学生的知识结构和能力培养都是不可相互取代的，并且课程之间具有横向协同性和纵向衔接性。

在学习“电气控制与PLC应用”课程之前，学生已经掌握了电机原理及其拖动的基础知识，但是还不知道工程实际中具体用什么设备去控制电机的起、停和调速等运行;他们学习了“自动控制原理”课程，知道了反馈控制思想和自动控制系统的组成及其工作原理，但是还不知道具体用什么设备去充当控制器和执行元件等，不知道如何去实现一个自动控制系统;他们学习了“微机原理及其应用”课程，但不知道微型计算机为什么可用于工业控制和如何使用。诸如这些疑问都将在本课程中得到很好的诠释，因此说“电气控制与PLC应用”课程的内涵是一门讲授如何用电气控制的手段实现工业自动控制的课程。

2 教学理念的优化

2.1 绪论课解决自动控制系统的定义

在绪论课中，我们首先要解决什么是电气控制技术?通过学习自动控制原理，我们知道一个自动控制系统的基本组成如图1所示，即自动控制系统是由控制器和被控制对象两大部分组成，而控制器又是由给定元件、放大元件、执行元件、校正装置和测量反馈元件等组成。

图1 自动控制系统的组成

自动控制系统基于负反馈控制原理，能够实现对被控对象的自动控制。但是，图1所示的自动控制系统还是属于概念层次上的，真正的自动控制系统还未实现，因为这里的给定元件、放大元件和执行元件等控制器的组成环节究竟靠什么物理实体来充当尚未确定。过去这些元件主要靠各种机械机构来充当，例如凸轮和杠杆等，即通过机械的手段来实现自动控制，我们可以称之为机械自动化。此类自动控制装置(系统)有候风地动仪、水车和机关等。而今天的控制器构成元件主要靠各种各样的电子电气元件来实现，例如三极管、运算放大器和计算机等，我们称这种实现自动控制的手段叫电气自动化。因此我们不难得到电气控制技术的定义:电气控制技术是指依靠电气设备(元件或者装置)来实现自动控制的技术。

那么电气控制和电器控制的区别又是什么呢?我们这要从电气和电器两者英译说起则不难解释它们的区别，电气为Electrical，它与电相关的，是形容词;而电器为Electrical Appliance，是指具体的电气设备。凡是采用电气元件(装置)来实现自动控制的手段称之为电气控制。这里电气元件(装置)包括三极管、接触器、空气开关、计算机和PLC等。而电气工程中专门将采用继电器和接触器等低压电器来实现电气控制的方式称之为继电器—接触器控制，简称电器控制。可见电器控制属于电气控制中的一种方式。电气控制方式还包括PLC控制和计算机控制等。

2.2 工业自动控制系统的实现

这门课的特点是既学习电气元件，又学习系统的分析和设计;既有强电，又有弱电;既有硬件，还包括软件;同样的控制问题既可以用电器控制实现，又可以用PLC控制实现;电气线路多且复杂。这使学生源于对“工业自动控制系统的实现”这一课程内涵把握不够。如果能以这一内涵为主线统领整个教学过程，则会使学生的思路清晰。例如我们在学习电动机的电器控制线路时，如果能够清楚地认识到电动机是被控对象，接触器是执行机构，继电器是测量反馈元件，按钮是给定元件，控制器则是由这些低压电器组合构成，而控制算法是由相关电器开关状态的逻辑组合，则学生就不再认为学习电器控制线路需要死记硬背了。在学习PLC的定义时，只要紧紧认定PLC是一种通用的工业控制器，一种专门用于工业控制场合的通用工业控制计算机，则PLC的面目不再神秘。

2.3 加大PLC控制部分的学时

本课程内容包括“电器控制”和“PLC控制”两部分。我们知道PLC控制脱胎于继电器控制，继电器控制是PLC控制的基础，因此在学时分配上争取用较少的学时讲授“电器控制”部分，主要讲清楚各种常用低压电器的用途及选型，电动机的典型电器控制线路和基本控制规律，而对常见机床电器控制线路的分析则不再讲解。

2.4 “硬件配置”和“梯形图编程”的內容并重

我们经常会发现很多学生设计梯形图很顺畅，但是不会为PLC的基本单元配置扩展单元，而且PLC与I/O设备的连线经常接错，遇到错误更不会软硬件结合调试。究其原因就是不重视PLC硬件组成及其I/O接口电路部分的学习。

在“PLC与I/O的设备接线”部分的学习中，特别要注意的几点:①输入回路的公共端是共“源”还是共“漏”;②输出回路哪几组公用一个公共端;③输出回路的类型及其驱动能力。只有很好掌握这三点才能正确完成PLC与I/O设备的连线，保证控制器能接收到控制命令和现场的反馈信号，通过执行用户程序产生的控制信号也才能畅通无阻地输出给执行机构。

2.5 重视“功能指令”的教学

随着PLC的发展及其应用的普及，它早已突破了纯粹开关量控制的局限而进入到过程控制、位置控制、通信网络和图形工作站等领域，成为机电控制及过程控制不可缺少的核心控制部件［1］。以往我们只讲授基本逻辑指令，而淡化功能指令的教学模式。而PLC强大功能如数据处理、模拟量运算和外部设备通信等的实现则有赖于功能指令，因此要使用PLC这种工业控制器，就必须学习功能指令使用及其编程。

2.6 重视“PLC通信联网”的教学

自动控制系统从传统的集中式控制向多级分布式控制的方向发展是大势所趋，而且现在的PLC都具有通信联网功能。PLC与其他智能设备可以很方便地组成集中管理和分散控制式的控制系统。图2所示为西门子公司的SIMATIC网络结构。

我们如果对“PLC通信联网”的教学不够重视，则学生不但不能适应控制系统发展的潮流，而且是对PLC资源的极大浪费。

3 强化实践教学环节

图2 西门子SIMATIC网络结构

在培养卓越工程师的背景下，我们要明确本课程对学生能力培养的目标是:①掌握PLC的硬件配置及接线;②学会PLC的编程方法;③掌握PLC控制系统的设计、调试步骤和方法;④掌握常用低压电器的选型及安装;⑤掌握电气原理图、安装接线图的阅读及绘制规范。

要将知识转化为工程实践能力，必须加强实践环节。我校除了改革课内实验教学内容，增加实验学时，增设设计性实验内容之外，还单独开设了为期三周的“PLC控制系统综合训练”课程。该综合训练的实施办法是:首先教师要以实际工程项目为背景，从中提炼出综合训练的内容并以任务书的形式下发给学生，然后3－4名学生为一个小组完成系统设计和在实验模拟调试，最后给出成绩评定。在任务书中，我们不但不限定PLC的机型，而且给学生充分的自由发挥的空间，设置了上位组态的编程等项目可供学有余力的学生选择。

为了实施“卓越工程师培养计划”。教师应通过科研去了解实际生产的需要及生产实践中正在使用的新知识和新技术，然后将这些新技术补充进课堂，丰富教学内容。在课堂教学中，以实际工程项目作为案例教学可以激发学生的学习积极性和创新精神。教师通过科研项目积累了实践经验，可以更好地指导学生实验和综合训练。

［1］钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用(第三版)［M］.广州:华南理工大学出版社，2005

［2］任彦，崔桂梅.“电气控制与PLC技术”教学改革的探索［J］.上海:实验室研究与探索，2011，30(1):112-113

［3］熊凌，吴怀宇，程磊等.电气控制类专业主干课程教学研究与实践［J］.南京:电气电子教学学报，2009，31(S2):92-94.