依托实训基地的PLC课程改革

徐鹿眉，王希凤,乔　爽，李　萍，宋起超

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)



依托实训基地的PLC课程改革

徐鹿眉，王希凤,乔爽，李萍，宋起超

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

电气控制与PLC技术课程是大学电气类相关专业的一门重要课程，实践性非常强，课程内容与新产品和新技术发展密切相关，这就要求在授课过程中必须与实训基地相结合，重点是提高学生系统的工程思维、熟练的操作技能和过硬的设计能力，注重在PLC课程教学过程中对学生进行工程理念的培养。

可编程序控制器(PLC);实训基地;课程改革

1　PLC课程的内容和特点

本科层次工程师的培养目标是胜任在现场从事产品的生产、营销和服务或工程项目的施工、运行和维护[1]。PLC课程依据我校电气专业教学和就业特点，针对工程项目的施工、运行和维护方面进行相应的课程改革。针对本科工程教育认证所强调的复杂电气工程问题，课程要求学习完成相关内容后进行复杂电气控制系统的设计。

1.1PLC课程内容及特点

PLC理论课程内容与实践环节对照图，如图1所示。以PLC技术课程为核心，整合图中三项实践环节为一门工业控制系统实践课程，将实验及工程应用实践环节有机地结合到PLC课程教学中。PLC课程总的特点是：PLC课程实践性强，课程内容紧跟工程实际，新技术、新元件不断涌现，课程与学生毕业设计直接相关。课程与学生就业方向联系紧密，是学生将来工作应用的主要技术[2]。

图1　PLC理论课程内容与实践环节对照

1.2PLC相关课程改革相对应的能力目标

理论课程能力目标：学会应用低压电器元件，具备简单电气控制线路的分析能力；应用S7-200PLC设计简单的PLC控制系统能力；应用S7-300PLC设计复杂PLC控制系统能力。具备应用PLC软、硬件进行仿真、实验能力；在实验和设计等过程中增强互相交流和团结协作能力。

实践课程能力目标：学会编程软件STEP7 的使用和硬件组态，具备PLCSIM等仿真软件应用能力，具备WINCC flexible组态软件的应用能力；具备控制程序和组态界面的仿真与调试能力。具备PLC实验台和触摸屏的动手操作能力；能够运用PLC技术相关知识解决简单的工业控制系统问题，具有设计复杂PLC控制系统的能力；熟悉硬件图的绘制和实习报告的编写工作，具有撰写报告和绘图能力；在小组分工合作中具有团队精神，有良好的社交能力和沟通能力。

2　西门子自动化实训室对课程的支撑作用

“卓越工程师教育培养计划”作为《国家中长期教育改革与发展规划纲要(2010～2020)》组织实施的一项重大项目,旨在全面提高我国工程人才培养质量,培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高素质各类型工程技术人才[3]。针对“卓越工程师教育培养计划”要求，学院与西门子中国公司共建自动化联合实训室。有了这个校内实训基地，对提高学生工程实践能力起到极大的促进作用。实训基地已经建设完成，拥有配套的先进设备，现有S7-200PLC实验箱16台，S7-200PLC CPU224XP实验台11台，安全型控制系统S7-300F 10套，生产线控制系统S7-400H 1套，运动控制系统S7-300T 1套，过程控制系统PCS7 BOX 1套，还有变频器、交流电机、步进电机和直流电机等电器元件，以及电梯、机械手、运料小车和加热炉等被控对象。实训基地内的设备可以满足PLC课程中复杂电气控制系统设计所要求的实物基础，学生们依托实训基地设计出的PLC控制系统就是本科工程教育认证所强调的产品。

3　将PLC课程与PLC实训基地结合促进课程改革

实训基地建成后，在PLC课程教学过程中，将教学内容与PLC实训基地相结合，使学生慢慢接受工程教育理念，这是个浅移默化的过程，不可能一蹴而就。以前是仅有PLC实验和实习等课程在实训室基地开设，现在是PLC理论课程教室也开设在实训基地内。本文从以下6个方面对PLC课程如何依托实训基地促进学生工程能力的培养进行探讨，这6个方面也是解决复杂电气控制系统设计问题的核心要素。

3.1使学生建立系统工程思维

本科工程教育认证所强调的解决复杂电气工程问题，建立系统工程思维首当其冲，这是设计复杂电气控制系统的前提。实训基地内生产线控制系统是按照实际食品生产线的标准进行设计和安装的，不同之处是比实际生产线功能简单。现代工业生产线系统都是基于各种层次网络的控制系统，工业自动化系统网络如图2所示。图中S7-200PLC系统是单台生产机械控制系统，为电机速度闭环控制系统。S7-300PLC系统是自动化生产线控制系统，基于PROFIBUS现场总线。PC机作为管理计算机，通过工业以太网组成网络控制系统，实现整个工厂或车间的生产自动化控制。让学生在第一堂理论课上就能够清楚地知道PLC的具体应用情况，随着教学的深入，让学生从S7-200PLC小型控制系统逐渐过渡到大型工业自动化网络控制系统，这也是当今工业控制发展的必然趋势。这样使学生知道将来自己走上工作岗位面对的不只是单台的生产机械，在“工业4.0”和“互联网+”的大背景下，工作中面对更多的是网络化的大系统，并且PLC可以在其中发挥关键作用。

图2　工业自动化系统组成

3.2培养学生职业道德和责任心

从大学时期就要树立职业道德，要有责任心，体现在复杂电气控制系统设计中主要包括安全、环保和质量三方面，其中安全方面又包括人员安全、设备安全和产品安全。PLC课程内容与安全、环保和质量息息相关。硬件电路设计中安全保护和控制是同等重要的，没有完善的安全保障的电路对于控制来说是毫无意义的。实训基地生产线控制系统有4个控制柜，生产线控制系统中PLC主站应用的大型S7-400PLC，必须进行冗余设计。2台412H PLC主机安装在现场，一台工作，另一台备用，工作机出故障后备用机立即接替其工作，从而保障生产线安全运行。系统中控制生产线传送带等功能的315F系列 PLC是故障安全型PLC，主要是为提高生产线运动控制的可靠性方面专门设计的，这完全是为提高设备和产品安全性考虑的。节能环保是国家长期发展战略，新型PLC产品在节能环保方面也增加了比较多的相关设计。质量是产品生存的关键，PLC设备在抗干扰和可靠性方面具有独特的优势。综合这几方面，结合实训基地现有设备，加强学生职业道德和责任心方面的教育，为毕业后走上工作岗位做好准备。

3.3培养学生树立终身学习的观念

PLC自上世纪七十年代产生以来，其定义进行了多次改变，国际电工委员会已发表了四稿定义，主要是因为其功能的不断增强。随着技术的不断进步，尤其是微处理器技术的迅速发展，PLC的功能变化非常大。图3是PLC发展示意，从中可以看出PLC在这四十年间功能不断变化的趋势。实训基地内的PLC产品系列全，台组数多，有早期的CPU224，后来的增强型CPU224XP，这两种是小型PLC。还有中型PLC CPU315F和CPU315D，前者主要用于安全级别高的控制系统，后者主要用于运动控制系统。大型PLC CPU412H以及由其为主要硬件组成的PCS7过程控制系统。通过实训基地这么多PLC产品展示，能让学生充分认识到，复杂电气控制系统设计是从学习PLC课程开始一直到将来工作多年之后都要做的事情。学习了某一种PLC后不能停滞不前，在今后的学习或者工作中要紧跟技术发展趋势，密切注意新产品的动向，注意自身知识的更新。

图3　PLC发展示意

3.4培养学生的团队合作精神

工程教育培养出来的学生应是具备终身学习和团队交流能力，有专业技能和工程能力、社会意识的工程师，将来能够在工作的工程团队中发挥相应作用，这些正是我们对工程类人才提出的要求。[5]复杂电气控制系统设计一个人是不可能完成的，组成团队进行合作是必然要求。PLC课程所对应的3个实践环节，要求6名学生组成一大组，其中每2人再组成一个小组，进行查资料、设计、绘图、编程、安装、接线和调试等工作。实践过程中学生们要进行明确而细致的分工，分工结束之后还要进行密切地合作，只有这样才能保质保量地完成任务。设计完成后，在实训基地的相关设备上进行调试。简单的PLC实验台至少需要2名同学进行调试操作。像生产线控制系统，主控制计算机、400PLC冗余控制柜和2台300PLC控制柜需要4名学生，加上生产线操作一共需要5名同学合作完成调试。将来的工作中，PLC系统涉及工艺和设备等多方面工作，团队人员分工图如图4所示。要让学生明白团队协作在工作中的重要性，认识到在将来的工作中更加需要具有团队合作精神。

图4团队人员分工

3.5培养学生综合运用技能、技术和现代工具解决问题的能力

PLC技术是本专业学生必须掌握的一项重要的技术，围绕PLC技术学生要学会多种技能，如PLC系统硬件设计、梯形图编程、组态设计、实验设备操作、控制程序仿真等,实训基地安装了设计中常用的软件如AutoCAD、Visio、STEP-7、WinCC、PLCSIM和PCS7等软件。PLC系统设计中应用的软件及功能见表1，学会应用这些软件不仅有助于学生进行课程设计和毕业设计，在将来工作中这些软件更是必不可少的。复杂电气控制系统设计过程中仿真是必要的手段，往往可以达到事半功倍的效果。S7-200仿真软件专门用于S7-200PLC程序仿真，PLCSIM专门用于S7-300/400PLC程序仿

真。WINCC flexible组态软件在没有触摸屏时也可以在计算机上模拟运行，进行按钮、输入输出域和趋势图等仿真。这几种仿真软件图形界面优良，仿真功能强大。最值得一提的是STEP-7编程软件、PLCSIM仿真软件和WINCC flexible组态软件三者联调，在不用PLC和TP177B情况下，学生在自己的电脑上即可完成大部分程序和界面的仿真、调试工作。这样增强了实验项目的灵活性和可操作性，学生可不拘泥于现有设备而进行大胆的设计，大大提高了学生控制系统设计能力。

表1　PLC系统设计中应用的软件及功能

3.6培养学生进行实验和探索知识的能力

PLC控制技术作为一门专业性和实践性非常强的学科,学生的实践操作能力是检验学生是否学好该门课程的核心标准[6]。在新的实验教学体系下，实验教学的方法与手段也要进行同步更新和升级[7]。PLC课程实验应用S7-200和S7-300两种PLC开展综合设计性实验，学生依据实验指导书要求进行方案选择，确定好系统控制方案后进行硬件和软件设计。硬件设计必须在实训基地现有设备条件下进行，这就要求学生根据已有条件发挥自己想象，最大限度地满足实验要求。软件设计方面灵活性更大些，现有的仿真软件可以更好地满足设计要求。PLC任务的实施能否成功，关键在于程序的反复调试和运行[8]。复杂电气控制系统设计过程中，设计好硬件和软件，做好硬件组态和图形界面组态设计之后进行仿真，仿真调试通过以后到实训基地设备上进行模拟现场调试实验。通过软件和硬件实验，可使设计的PLC控制系统的功能更接近于工业现场。

在相关校内实践课程的基础上，能力稍强的同学可参加校内的PLC大赛，主要是应用300PLC实验台进行运动控制相关的设计、仿真和调试。西门子公司每年组织全国性的工控大赛，主要项目有应用S7-1200 PLC和博图软件进行逻辑控制，应用PCS7进行过程控制。这对学生的相关系统的设计、工程软件的应用和设备的操作等方面综合能力要求更高一些。以工程教育模式为指导,遵循高等教育的规律和适应现代高等教育发展的趋势,注重素质教育,重视学生创新能力的培养和个性发展,全面因材施教。[9]这样可针对不同层次、不同需求和不同兴趣爱好的学生进行教学，更好地提高教学工作的针对性。学生在基地成立工控协会，定期举办培训和比赛等，这样可以锻炼并提高学生的各方面综合能力，依托实训基地可最大限度地满足教师和学生的需求。

4　结　论

工程专业文化精神的渗透是基于工程教育观念的一种实质性转变[10]。PLC课程教学过程中充分发挥实训基地的作用，在理论课和实践课利用基地的基础上，课余时间基地也免费向学生开放。实训基地建成两年多以来，电气、自动化和测控三个专业的三个年级一共15个班，通过上课时间和学生业余时间在基地进行相关学习和设计，学生们很好地完成了复杂电气控制系统的设计任务。这也是本科工程教育认证和建设工程技术型大学的要求。

[1]吴文辉.论卓越工程师的工程精神和工程意识 [J].长春理工大学学报(社会科学版)，2010(7):125-127.

[2]徐鹿眉,王希凤,乔爽.PLC理论与工程实践结合教学方法研究[J].黑龙江工程学院学报,2015(5):77-80.

[4]林健.“卓越工程师教育培养计划”学校工作方案研究[J].高等工程教育研究，2010(5):25-27.

[5]张璇，李彤.结合CDIO教育理念与案例教学进行教学探索与实践 [J].教育与教学研究，2008(24):155-157.

[6]徐立剑.PLC控制技术实验教学改革的研究与探索[J].电子制作,2014(14):101-103.

[7]李彤等.基于SE-CDIO的实验教学探索与实践[J].工业信息化教育,2013(5):54-60.

[8]龚秋萍.PLC实训教学中存在的问题与对策[J].职业教育研究,2010(11):109-110.

[9]张慧平，戴波，刘娜，等.基于CDIO 教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报，2009(31):138-141.

[责任编辑：路晓鸽]

Discussion on the reform of PLC curriculum relying on training base

XU Lumei,WANG Xifeng,QIAO Shuang,LI Ping,SONG Qichao

(College of Electrical and Information Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050，China)

Electrical control and PLC technology course is an important course of electrical engineering in the university,which practicality is demanding.The course content is closely related to the development of new product and new technology.This requires the teaching process be combined with the training base.The focus is to improve the students’ system of engineering thinking,skilled operating skills and excellent design ability,and so to pay attention to the cultivation of students' engineering ideas in the course of PLC teaching.

programmable logic controller (PLC); training base; curriculum reform

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.021

2016-04-19

黑龙江工程学院教育教学改革工程项目(JG2014080)

徐鹿眉(1975-)，男，讲师，研究方向：PLC，电机控制.

TM571.61

A

1671-4679(2016)05-0077-04