面向智能制造的PLC数字化控制实验教学改革研究与实践

摘 要：针对机械类专业PLC课程实验教学存在的实验实训设备结构封闭、难以开展创新设计实验，学生不能亲身体验设备安装组态、无法深度剖析结构原理、缺乏学习主动性等问题，文章提出了PLC数字化控制实验教学改革方案。通过重塑多层次模块化的数字化实验内容，开设以学为中心的数字化实验项目，构建工程化、综合性、创新型的PLC实验实践教学新体系，激发学生的学习兴趣与创新思维，推动教学质量与专业水平上新台阶，培养高水平工程应用型人才。

关键词：PLC数字化；实验教改；智能制造；模块化

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2024）11-0080-04

一、引言

党的二十大报告指出，新型工业化的关键是以科技创新促进制造业高端化、智能化、绿色化发展，只有这样才能持续推进制造强国建设。我国制造业既要强化高水平自主技术要素供给，又要加快推进数字技术发展，推进数字产业化、产业数字化，加速制造业转型升级的进程。因此，要深入实施智能制造工程和制造业数字化转型行动，加快制造业数字化、智能化升级[1]。

当前，传统的机械设计方法在设计周期、功能、安全性等方面无法满足现代用户的需求。现代设计技术常常以各种控制器作为工具实现自动控制，借助网络平台，采用现代管理技术，运用工程设计的新思维和新手段，优化计算结果，其设计技术高效化和自动化[2]。PLC（Programm-

able Logic Controller，可编程逻辑控制室）数字化是一种基于虚拟仿真技术的技术应用，通过建立物理系统的数字模型，实现对物理系统的仿真和监测。在教育领域，PLC数字化技术可以应用于教学场景的模拟、学生行为的分析和优化、学习资源的智能推荐等方面，实现智慧教育的目标。PLC将数字信号或模拟信号作为输入和输出信号，以此完成各种类型的机械系统的控制过程。将数字化技术引入PLC课堂教学可以为学生提供更加真实、直观的应用场景。

二、PLC实践教学存在的问题

湖南工程学院机械工程学院的机械电子工程专业（以下简称“机电专业”）、机械设计制造及其自动化专业、材料成型及控制专业、焊接技术、机器人工程专业顺应时代发展，均已开设“PLC控制”课程。然而，“PLC控制”课程在实践教学过程中还存在以下突出问题。

1.传统“PLC控制”课程缺少实际机械设备和实验室环境。机械设备因笨重、体积大等原因，无法大批量搬进PLC实验室，导致学生看不到机械设备的自动化过程，造成课程单调乏味，从而无法有效激发学生学习的积极性。同时，课程需要大量的电气知识、数学知识，概念抽象枯燥，导致学生上课精神不集中，学习兴趣不高，挂科现象严重。

2.学生动手实践机会少，原因有2个方面。一是“PLC控制”课程整体上课时偏少，实验课时则更少，导致学生可动手实践机会少。二是附带有机械系统的PLC控制类设备价格较高，学校经费有限，所采购的台套数不够，需要分组实验，学生操作时间较短，动手实践机会少。特别是近几年，随着对机械类专业人才需求增加而扩招人数，这一窘况更显突出。

3.实验实训设备结构封闭，实验内容固化，验证型实验多，难以开展创新设计实验。学生只能简单操作，不能亲身体验设备安装组态，无法深度剖析结构原理，常感到课程知识枯燥难懂，缺乏学习主动性[3-5]。

积极开展“PLC控制”课程实验实践教学改革，以机械类专业为基础，强化机械基础知识，建立数字化实验教学项目。MCD是一款易学、实用的机械设计软件，同时也是时下流行的数字孪生技术，其能帮助学生在未来的实际工作中快速解决工程实际问题，减少成本投入[6-7]。在“PLC控制”实验课程中引入MCD（机电一体化概念设计），使“PLC控制”实验课程实现可视化、机电一体化，可以让学生在自己的计算机上利用虚拟软件进行仿真实验，增加了学生动手实践的机会，顺应制造业数字化、智能化转型需要，实现低成本、更高效的智能制造。

湖南工程学院机械工程学院利用数字化技术、多媒体和网络通信技术，对机械类专业PLC 实验教学进行数字化改革，通过探索机电融合的 PLC 数字化驱动实验教学方法，开发工程化、综合性、创新型数字化实验项目，建立 PLC 数字化控制实验实践教学新模式。重视数字化仿真教学的探索研究，加大政策支持力度和经费投入，增强学生学习的自主性，鼓励校企联合开发虚拟仿真教学平台等行之有效的做法，促使教师从课堂教学的主导者转变为数字化教学的监督者和引导者，并借鉴吸收国外数字化教学的先进理念与技术手段，使数字化实验教学真正起到推动教学改革、提高人才培养质量的重要作用。

（二）调整实验项目，采取循序渐进方法，吸引学生主动学习

传统的PLC实验教学只有基础实验和综合实验，验证性实验多，设计性实验少，教学改革后将增加工程实验。

1.基础实验是指基本指令的应用、定时器计数实验，主要是理解PLC的功能组成及工作原理、熟悉PLC输入/输出的含义、掌握PLC基本指令及典型程序的分析、掌握PLC梯形图及语句表的编辑方法。

2.综合实验是指基本指令在简单工程案例中的应用，主要是掌握各种编程方法的具体运用。

3.工程实验主要是针对较复杂的机械系统，设计编写较复杂的程序，实现机械系统的自动运行，其目的是结合科研项目、学科竞赛项目，为学生提供更多的工程实践项目，提高学生解决工程实际问题的能力。结合学院实际情况，未来还将开设一些风电、新能源汽车相关的PLC数字化控制实验项目。

三、PLC数字化控制实验教学改革方案

（一）结合机械类专业基础知识，开发MCD数字化应用场景

MCD是数字孪生技术中的一种重要的数字化工具，是集机械、电气、液压、气动、驱动、自动化和编程等多学科为一体的产品，是一个多学科技术融合与虚拟调试、开发的技术平台[8]。

借助MCD数字孪生技术的PLC数字化控制过程如图1所示。在数字空间中，运用MCD技术构建3D数字模型，建立HMI（Human Machine Interface）人机交互界面，在TIA（Totally Integrated Automation）完全集成自动化软件上编写PLC程序，通过PLCSIM. ADV（PLC仿真器）控制MCD模型，对设备动作、控制程序等进行虚拟调试，以数字化的形式预先验证、优化设备的设计方案。在整个过程中，运用MCD技术构建3D数字模型是第一个步骤。机械类专业的PLC实验课时不多，不可能在实验课上进行MCD建模。学生大多对计算机软件有着先天的学习兴趣，而MCD软件是一款如同乐高积木一样的高智商游戏软件，因此，教师可以利用课前时间（寒暑假）把MCD学习视频发到学习群，让学生自主学习，这样不仅节省了实验课时间，还能让学生在学习MCD技术的同时再次学习机械类专业知识，将机械类专业知识有效地运用起来，使所学知识融会贯通。

（三）将现有的实验设备数字化，使实验设备利用率最大化

近几年，湖南工5SMLshNg9AHPavIwck1jMVwXWlFt8bU+LUn6wFJ1Ry0=程学院机械工程学院引进了较为先进的机器人教学设备，由PLC控制，自动化程度高。但因价格昂贵，采购数量有限，作为学生的实验教学设备，其满足不了教学需求。利用数字化技术，将现有设备制作成数字化虚拟设备，并利用MCD技术，让学生按照自己的设计理念对设备动作、控制程序等进行虚拟调试，可做到一人一机，且不影响设备的性能。虚拟调试通过后，再到实体机上完成实体控制过程，实现低成本、更高效的智能制造，不仅满足了学生的实验教学需求，还能将实验设备使用率最大化，极大地提高了教学水平和教学效率。

（四）开发各具专业特色的PLC实验教学项目

湖南工程学院机械工程学院机械设计制造及其自动化专业、材料成型及控制专业“卓越工程师培养计划”“工程教育认证”整合PLC课程实验教学内容，培养学生的实践能力。为此，PLC数字化实验主要从工程的角度出发，紧密结合机、电、液、气、控制等领域，构建更具机械设计制造及其自动化专业、材料成型及控制专业特色的PLC数字化控制实验教学项目，强化机械类专业特色，为以后的工程实践奠定基础[9]。

四、PLC数字化控制实验教学总体实施过程

（一）了解学生需求和同行经验，制定实施方案

以座谈会的形式了解学生对PLC课程的需求，从源头上寻找教学改进的方法；到其他高校调研，向同行学习取经，获取PLC数字化的教学方法；向已毕业学生和用人单位了解最新技术前沿，收集工程案例，听取校内外学生、企业对知识结构、课程设置的意见；广泛查阅各种文献，借鉴可执行的经验，为课题研究打下基础。

（二）优化整合实验教学内容，将原有的实验设备数字化

1.增加工程实践案例，丰富实验项目种类

当前，智能制造业、工业机器人领域日益蓬勃发展，因此，教师应把典型的工程实例引入实验教学，用MCD技术将机械系统制作成3D数字模型，再并入到PLC数字化实验项目中，寻找更多的工程案例，丰富实验项目种类。

2.用新技术改造原有的实验设备，实现线上线下混合式教学

湖南工程学院拥有几台大型智能化机械实验设备，但因为台套数少，不能大面积推广使用，导致PLC课程设计性实验项目少。用PLC数字化技术改造实验室的机械设备，可以很好地解决这些问题。所以，在本次教学改革项目中，计划完成一套大型实验设备的改造任务。例如，机械工程学院工业机器人综合实训室的BDT-Robot机器人，因其价格昂贵，采购数量有限，致使学生动手机会少。因此，教师可将PLC数字化技术融入到设备中，重新调整实践教学过程，如图2所示。同时，考虑课时问题，将建立HMI、在TIA上编写程序、通过PLCSIM. ADV控制3D数字模型等纳入实验教学中。将PLC数字化全过程纳入课程设计、毕业设计等实践环节，既满足了教学需求，又实现了线上线下混合式教学，将教学与工程实际有机地结合起来，培养与企业、社会需求相一致的高水平应用型专业人才。

3.引入新技术、新成果，确保教学内容与工程实际相结合

在原有实验教学的基础上更新实验内容，及时给学生讲解与教学内容相关的新技术、新知识、新方法，开阔学生的视野，体现教学内容的时代特色。结合湖南工程学院应用型高校特色，设计开发风电、新能源汽车相关的数字化控制实验项目。

（三）将数字化过程融入实验课堂，实现形象化、可视化教学

根据PLC数字化控制实验项目的3个层次，按照如图3所示的流程，采用不同的教学方法，如翻转课堂等，以直观形象、可视化的方式展现PLC基本原理与应用。整体实验项目以实践的方式展开，将机械、液压、气动、控制等各门学科综合运用起来，让学生以数字化的方式自主设计实验方案。这样既体现了数字化特色，还提高了实验项目的设计性比例，给予学生更多的设计空间。课堂上，当学生在实体机上调试时，教师可适当给予指导，避免学生出现安全问题。在课后环节，布置课后作业，引导学生自行设计小型科技作品，激发学生的学习兴趣和创造性。在学科竞赛领域，教师应发挥学生的潜能，并给予适当的指导。

（四）开发具有机械类专业特色的数字化实验教学项目

以往在机械类专业开设的“PLC控制”课程只是单纯的讲授PLC知识点，教学改革后将打破这一传统，即以PLC数字化课程为对象，结合机械类专业各门课程，开发数字化实验教学项目，借助网络平台，共享实验内容，建立开放式、网络化、数字化实验教学模式。

五、PLC数字化控制实验教学改革成果

PLC数字化课程的应用性、实践性、综合性强，其成果还可以推广至其他课程，应用价值高。学生可以通过PLC数字化实验教学系统地获得综合应用知识，为参加实际工作打下良好的基础。

（一）在机电专业的试点情况

将PLC数字化引入机电专业“机电一体化系统设计”课程设计中，丰富了设计内容，极大地激发了学生的学习积极性。2019级学生已将调试过程录制成视频资料，以供后续的教学使用。

PLC数字化内容得到了学生的认可。在PLC教学团队指导的毕业设计中，学生的毕业设计普遍采用了数字化仿真软件进行程序调试，毕业设计中的程序全部调试通过，而且有了视频资料作为设计的佐证材料，有助于考证设计的真实性。教学团队成员指导的毕业生多次获得湖南工程学院“优秀本科毕业设计（论文）”荣誉称号。其他机械类专业的实验教学中也融入了PLC数字化内容，极大地提高了实验项目的设计比例。

（二）将现有机械实验设备数字化

将湖南工程学院机械工程学院的智能实验设备数字化，作为PLC数字化实验项目，既增加了实验项目，还可以将实验设备使用率最大化。目前已完成智能制造产线的数字化过程。

智能制造产线是一台价格较高的智能实验设备，由一套小型立体仓库、一台数控机床、一台立式铣床、两台机器人、一套智能检测系统和一台智能运输小车组成，其工艺流程是：智能运输小车从立体仓库取出原料，通过循迹的方式将原料送到数控机床，由第一台机器人抓取原料送入数控机床进行加工，数控机床加工完毕后再由第一台机器人送回智能运输小车，智能运输小车将初加工的工件通过循迹的方式送到第二台机器人面前，第二台机器人抓取初加工工件送入立式铣床进行铣削，立式铣床加工完毕后由第二台机器人送回智能运输小车，智能运输小车将已加工完毕后的工件通过循迹的方式送入智能检测系统，智能检测系统检测完毕后送回智能运输小车，智能运输小车通过循迹的方式送回立体仓库。整个过程由PLC控制，工艺复杂。因为其价格较高、体积大，学校购买时只引进了一套，导致学生可实践机会少，不利于教学的持续开展。

借助PLC数字化软件，提出一种基于NX MCD的虚拟智能制造产线设计与仿真调试方法。首先建立智能制造产线的3D模型，其次运用NX MCD技术“物理化”模型，然后通过TIA博图软件设计S7-1500PLC控制程序和HMI监控界面，再以PLCSIM Advanced软件建立MCD模型和虚拟PLC的通信连接，最后对智能制造产线和PLC进行联合仿真调试，通过PLC仿真器控制MCD模型，对机械动作、控制程序等进行虚拟调试，确认控制程序的逻辑是否合理。验证虚拟智能制造产线设计方案的可行性和有效性，摸索出可行的数字孪生方法，为机电产线设计、验证与优化提供新思路，对于推动产学研变革创新有重要意义[10]。

通过PLC数字化调试后，再到实体机上调试，既可以提高程序的准确率，还可以增加多个实验项目，如根据设备的组成情况可以分解出小型立体仓库的数字化仿真系统设计、加工中心数字化仿真系统设计、智能检测系统数字化仿真系统设计、循迹小车数字化仿真系统设计……做到充分利用实验设备，实现设备的使用率最大化。

经过不断探索与实践，教学团队逐步建立起以学生自主设计、以工程案例为基础的PLC数字化控制实验教学体系，受到了学生、督导、同行、企业专家等各方的高度评价，如湖南工程学院督导观摩了实验课程，给予的评价是“培养学生从实验走向科技创新的思维，教学内容充实，讲解清楚，指导到位”。同时，传递了家国情怀、工匠精神、职业素养、科技强国等正确的价值观。

（三）学生受益情况

在机电专业的课程设计和毕业设计环节加入PLC数字化技术，极大地激发了学生的创新思维。教学团队指导的2018级和2019级学生中有4名学生获得了实用新型专利，其成果即是在PLC数字化仿真基础上研发出来的，且获得了湖南工程学院“优秀毕业论文”荣誉称号；指导的毕业生因工程应用能力与实践动手能力强，成为了企业技术骨干，如2014级某学生在半年内就主持工程项目，一年内担任技术考官，成为企业导师，秘诀就是在校期间已开展实践学习。

目前，PLC数字化课程已推广到机械设计制造及其自动化专业，结合“机械控制工程”“工程测试技术”等控制课程，完善控制课程体系，为机械设计制造及其自动化专业的专业认证打下基础，同时也获得了专家、教师和学生的高度评价。

六、结束语

湖南工程学院机械工程学院对机械类专业PLC 实验教学进行数字化改革，通过探索机电融合的 PLC 数字化控制实验教学方法，强化学生的工程实践意识，培养学生的动手实践能力，提高教学质量与专业建设水平，对于培养高水平工程应用型人才具有重要意义[10]。

参考文献：

[1] 中共中央 国务院印发《数字中国建设整体布局规划》[EB/OL].（2023-02-27）[2024-02-22]. https：//www.gov.cn/xinwen/2023-02/27/content_5743484.htm.

[2] 廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].2 版.北京：机械工业出版社，2018：1-7.

[3] 夏兴有，邹广平，曲嘉.高校虚拟实验室建设问题探讨[J].黑龙江教育（理论与实践），2020，74（5）：57-58.

[4] 刘金颂.机械工程专业虚拟仿真实验教学平台研究与实践[J].工业和信息化教育，2020（5）：90-94.

[5] 王郑库，李凤霞，徐家年，等.基于应用型人才培养的虚拟仿真实验平台建设与实践：以石油工程虚拟仿真实验室为例[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2020（3）：121-124.

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[7] 吉东风，李海燕，成何珍，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建设探讨[J].教育教学论坛，2020（20）：233-234.

[8] 赵辉，宋洪扬，杨超.基于MCD的气动搬运机械手生产线虚拟调试[J].智能制造，2021（6）：68-73.

[9] 黄菊生，刘军安，蒋嵘.加强工程素质培养的机电实践教学改革与研究[J].教育教学论坛，2015（25）：160-162.

[10] 吴晨曦，蒋嵘，钟超.基于虚拟仿真的机械电子工程 专业实验教学改革与探究[J].黑龙江教育（理论与 实践），2023，77（7）：76-79.

■ 编辑∕王力