面向工程应用的PLC课程教学改革探索

张 敬,卢 雁,龙博林,杜文件

(1.湖南理工学院 机械工程学院,湖南 岳阳 414006;2.长沙奕皇智能科技有限公司,湖南 长沙 410100)

0 引言

当今世界,科技飞速发展,中国制造业正在经历由大向强的转变.中国制造2025 战略为我国未来工业的发展指明了方向.工业是国民经济的主导,而制造业生产线的自动化水平反应了国家工业发展的水平．因此,培养高水平的自动化专业人才是实现强大中国制造的基础,也在很大程度上影响着我国工业发展的历史进程.在工业生产领域,企业对于熟悉可编程逻辑控制器(PLC)的人才需求量很大.但如今存在的一个普遍问题是高校培养出来的学生,不能直接接手企业的工程项目,仍然需要企业再次培养才能胜任工作.因此,为了解决这一问题,我们需要进行基于CDIO 模式的PLC 课程教学改革的探索,改进传统PLC 课程教学的不足,建立起CDIO 模式下的课程教学体系．

CDIO 即Conceive、Design、Implement、Operate 四个单词的缩写,是当今世界流行的工程教育改革模式,它来自于麻省理工等四所国际顶尖大学经过多年研究共同创立的教育改革成果[1]．该模式倡导两种教学理念,即“在做中学”和“基于项目来学习”,要求学生通过对实际项目的学习,逐渐掌握工程项目工作流程,提高分析和解决实际问题的能力．因此,CDIO 教学是一种以“学生为主体,教师为主导”的教学模式,能最大程度地激发学生学习PLC的热情,使学生真正做到将理论与实践相结合,克服传统教学模式中学生眼高手低的缺点．在PLC 课程教学过程中引入基于工程项目的CDIO 教育理念,可改进传统教学的不足,提高PLC 课程的教学质量．

1 传统教学模式存在的问题

PLC 实践性要求很高,已经有50 多年的历史,目前已经成为了一门大综合、全覆盖、全体系的理论课程[2]．在实际的工业控制当中广泛采用PLC,因为它的稳定性好、抗干扰能力强且性价比高．在实际工作中,很多毕业生并不能熟练使用PLC 独立完成工程项目,这给用人企业带来了很大的困扰．原因在于,传统PLC 课程教学的不足导致了学生能力的缺陷,而其不足之处主要表现在以下几个方面:

(1)教学方式不足

首先,传统的教学方式是以说教为主,教师在课堂上按照准备好的PPT 课件进行讲解,学生听得似懂非懂且没有进行深入思考．这就导致很多学生缺乏学习热情,很少提出相关的问题,教师也很难了解学生掌握知识的程度．其次,高校实验课程使用的插拔式实验平台实际上降低了学生的动手能力,学生只知道按照教师的做法,机械地在实验箱上插孔接线和编译程序,实际并没有理解电路原理,很难对PLC系统中的硬件电路和程序控制形成整体的认识,真正面对实际工程项目的时候便一脸茫然,不知所措．

(2)教学内容不足

传统的PLC 课程教学中,学生总是被动、机械地去记忆PLC 系统中的各种指令,但却不重视这些指令在实际项目中的应用环境和使用方法．由于课时较少的原因,教师常常选择不讲解那些较难理解但却是工业中常用的知识点,比如PID 技术,变频器技术,人机界面HMI 触摸屏和网络通信技术等．这就导致了学生知识欠缺,不能胜任实际工程项目．此外,传统的PLC 课程教学包含24 理论学时与6 实验学时[3],实验课时少,有的学校甚至已经取消了实验课,学生无法通过实际动手操作提高实践能力．而且,实验课结束后,学生很难再获得练习的机会．

(3)考核方式不恰当

传统的课程教学考评方式通常是由平时成绩和卷面成绩组成.学生在学习过程中,为保证自己能顺利通过考核,往往只注重卷面考核的内容,而不注意培养实际工程项目中所需的能力,比如硬件电路设计能力、软件编程能力以及分析、解决问题的能力．因此,此种考核方式往往不能真实反映学生掌握自动化专业知识的程度和熟练使用PLC的能力．

2 CDIO 教学模式改革

2.1 课程教学体系

随着我国制造业的发展和综合国力的不断增强,企业也对工程技术人员在行业知识、技术能力和创新意识等方面提出了更高的要求.PLC系列课程的建设可与“西门子杯”中国智能制造挑战赛等学科竞赛相结合,在教学中激发学生的求知欲,培养学生的创新意识.同时,引导学生理论结合实际、深入实践,培养学生成为适合现代化企业发展的高素质应用型人才．PLC 系列课程改革目标如图1所示.

图1 PLC 系列课程改革目标

为了克服传统PLC 课程教学模式的不足,可采用CDIO 模式的教学,该模式主要以项目为载体,将PLC 课程的各个知识点融入项目中,让学生真正懂得学以致用,理解每条指令的实际意义．它体现了“学生为主体、教师为主导”的教学原则和“构思、设计、实现和运作”的教学思想．在此模式下的PLC 教学课程体系,主要围绕七个项目展开．这七个项目分成三个级别,分别为初级项目、中级项目和高级项目[4],由浅入深,由易到难,基本涵盖PLC 课程的所有知识点.同时,还重点介绍了当代工业常用的变频技术、屏控PLC 和网络通信技术,让学生能快速与企业对接.具体课程教学体系如图2所示．

图2 课程教学体系

(1)初级项目

初级项目主要分为三个项目,分别是项目一“异步电动机正反转控制”,项目二“循环彩灯的PLC 控制”,项目三“基于PID 指令的水箱液位控制”．学生通过项目一可以学会使用PLC的基本指令,包括基本位操作指令、逻辑堆栈指令、定时器指令、计数器指令和比较指令等．通过项目二学生可以学会PLC的功能指令,包括运算指令、数据处理指令、表功能指令、转换指令和程序控制类指令等．通过项目三学生可以学会PLC的特殊指令,主要包括实时时钟指令、中断指令、高速计数器指令、高速脉冲输出指令、PID 指令等．在学习PLC的初级阶段,由于学生刚刚入门,尚不熟悉PLC 工作原理,所以可以先利用实验箱进行实验,熟悉PLC的所有指令．此阶段教师结合实验箱及其它设备开展教学,不单纯讲理论,将教学与实践时间比例调整为1:1,这样能够提升学生的学习兴趣．

(2)中级项目

中级项目主要包括项目四“通用变频器与PLC 连接”,项目五“基于触摸屏的三相异步电动机调速”,项目六“PLC 与远程PC的通信”．熟悉和掌握了初级项目后,我们可以在初级项目原有的基础上进行改进和扩展．比如在项目一中加入变频器.学生需要在教师的指导下搭接电路,同时需要自己查阅资料编写程序,全程以学生为主,鼓励自由摸索,教师仅起指导作用．同理,也可以在项目一中加入上位机或HMI 触摸屏,实现对电机的控制．通过对项目的扩展改进,学生可以真正掌握变频器、上位机和触摸屏的使用．项目六可以使学生了解PLC 与PC 之间的多种通信方式,学习和掌握PLC 数据通信的基础知识[5],包括:①数据通讯的传输方式,比如并行数据通信和串行数据通信等;②通信介质,比如双绞线、同轴电缆、光纤等;③常用串行通信接口标准,比如RS-232、RS-485 等;④PLC 通信的网络拓扑结构,如星形、环形、树形和总线形结构等;⑤通信协议,比如PPI 协议、MPI 协议、PROFIBUS DP 协议、自由口通信协议以及USS 协议等．

(3)高级项目

高级项目阶段主要以项目七“机械手工作控制”作为实际的工程项目,要求学生独立完成．经过前面两个阶段的学习,学生对PLC的指令、变频器、HMI 以及网络通信、传感器等都已有所了解.因此,此阶段需要进行PLC 控制系统设计[6,7],其中包括实物连接和现场调试.教师应该引导学生分析和解决系统设计和调试中遇到的各种问题,培养学生独立思考及分析、解决问题的能力．PLC 控制系统设计流程如图3所示．

图3 PLC 控制系统设计流程

首先,进行工艺分析,深入了解控制对象的工作过程、工艺特点和控制要求,再根据功能、I/O 点数、内存要求选择PLC 机型;其次,分配I/O 点、绘制硬件电路图并进行程序设计及仿真;最后,进行现场连线和PLC 控制系统整体调试,具体的调试工作流程为:①上电和对点.检查电路,保证不短路、不断路,保证所连接的电气元器件等接线正确,避免烧坏元器件.②网络连通.保证主站到从站的通信正常.③程序验证.进行点动操作查看程序能不能控制元件的接通和断开.最后对系统进行优化,转手动控制为自动控制,系统投入运行．

为进一步对接企业需求,培养高素质应用型人才,联合某企业在实验教学平台开发、“西门子杯”系列学科竞赛培训等方面开展深入合作.该企业为湖南理工学院2006 级自动化专业校友创办的高新技术企业,具有多年的工业自动化项目开发经验.图4 为湖南理工学院与该公司合作开发的西门子PLC 实践教学操作平台,可用于PLC 系列课程实践教学和相关学科竞赛培训等．本课程规划的项目一到项目七,关于PLC、变频器以及人机界面等项目均可以在此平台上完成实训操作．

2.2 基于CDIO 模式的课程考核方式

基于CDIO 模式的课程考核方式,不同于传统的考核评估．传统的课程考核大多是由30%的平时成绩和70%的卷面成绩构成,注重理论考核,但并不能真实反应学生掌握自动化专业知识的程度和利用PLC进行自动化系统设计的应用能力.基于CDIO 模式的考核方式,成绩主要由三部分组成,重点放在每个项目的完成情况上,课程总分数为百分制.其中初级项目的完成占20%,中级项目的完成占30%,高级项目的完成占40%,相应的分值分别为20 分、30 分、40 分．平时成绩占10%,共计10 分,包括出勤和课后作业．其中,课后作业改为系统编程及仿真,并作为平时成绩的主要依据.在每个项目中重点考查学生设计能力、实际操作能力和分析与解决问题的能力,比如方案设计、选型、原理图设计和实物接线、编程调试及故障处理.根据三个级别的项目完成情况来评分,分数低于60 分者,重新考核．

图4 西门子PLC 实践教学操作平台

3 结语

通过实际项目来学习PLC课程,学生可以将理论与实践结合,真正理解PLC在实际工况中的运用,从而帮助自己全面认识PLC.同时,通过项目实践也培养了学生分析和解决实际问题的能力.在实际工作中遇到问题时,学生可以快速分析并解决问题.因此,采用CDIO教学模式培养高素质应用型人才,既能满足广大企业的人才需求,也是进行PLC教学改革行之有效的实施方式.