“電氣控制與PLC應用”課程教學理念優化

魏祥林，傅龍飛，王樹東

(蘭州理工大學1.電信學院電氣系，2.技術工程學院自動化系，甘肅蘭州 730050)

可編程控制器、PLC機器人和CAD/CAM并稱為工業生產自動化的三大支柱［1］。可編程控制器技術脫胎于繼電器控制技術，這兩種控制技術具有很強的繼承性和互補性，目前在很多高校將這兩種控制技術合二為一，開設一門了名為“電氣控制與PLC應用”的課程。該課程是自動化類、機電一體化類及電氣工程類專業的一門實踐性和綜合性很強的專業課程，深受學生的重視［2］。在當下各高校陸續實施“卓越工程師培養計劃”的背景下，該課程的地位顯得尤為重要。

本課程是電氣自動化類專業的學生在學習完“電機與拖動原理”、“自動控制原理”和“微機原理及應用”等專業基礎課程后的一門專業課，而且是一門核心專業課程。該課程對于促進學生將知識轉化為能力，培養學生的工程應用能力、自動控制系統的分析和設計能力具有舉足輕重的作用。

1 課程的內涵

電氣控制類專業的主干課程群主要包括“電機與拖動原理”、“自動控制原理”、“微機原理及其接口技術”、“電氣控制與PLC應用”、“電力電子技術”和“電力拖動自動控制系統”等課程［3］。該課程群的設置體現了電氣控制類專業的學生應該具備的知識和能力。每門課程對于完善學生的知識結構和能力培養都是不可相互取代的，并且課程之間具有橫向協同性和縱向銜接性。

在學習“電氣控制與PLC應用”課程之前，學生已經掌握了電機原理及其拖動的基礎知識，但是還不知道工程實際中具體用什么設備去控制電機的起、停和調速等運行;他們學習了“自動控制原理”課程，知道了反饋控制思想和自動控制系統的組成及其工作原理，但是還不知道具體用什么設備去充當控制器和執行元件等，不知道如何去實現一個自動控制系統;他們學習了“微機原理及其應用”課程，但不知道微型計算機為什么可用于工業控制和如何使用。諸如這些疑問都將在本課程中得到很好的詮釋，因此說“電氣控制與PLC應用”課程的內涵是一門講授如何用電氣控制的手段實現工業自動控制的課程。

2 教學理念的優化

2.1 緒論課解決自動控制系統的定義

在緒論課中，我們首先要解決什么是電氣控制技術?通過學習自動控制原理，我們知道一個自動控制系統的基本組成如圖1所示，即自動控制系統是由控制器和被控制對象兩大部分組成，而控制器又是由給定元件、放大元件、執行元件、校正裝置和測量反饋元件等組成。

圖1 自動控制系統的組成

自動控制系統基于負反饋控制原理，能夠實現對被控對象的自動控制。但是，圖1所示的自動控制系統還是屬于概念層次上的，真正的自動控制系統還未實現，因為這里的給定元件、放大元件和執行元件等控制器的組成環節究竟靠什么物理實體來充當尚未確定。過去這些元件主要靠各種機械機構來充當，例如凸輪和杠桿等，即通過機械的手段來實現自動控制，我們可以稱之為機械自動化。此類自動控制裝置(系統)有候風地動儀、水車和機關等。而今天的控制器構成元件主要靠各種各樣的電子電氣元件來實現，例如三極管、運算放大器和計算機等，我們稱這種實現自動控制的手段叫電氣自動化。因此我們不難得到電氣控制技術的定義:電氣控制技術是指依靠電氣設備(元件或者裝置)來實現自動控制的技術。

那么電氣控制和電器控制的區別又是什么呢?我們這要從電氣和電器兩者英譯說起則不難解釋它們的區別，電氣為Electrical，它與電相關的，是形容詞;而電器為Electrical Appliance，是指具體的電氣設備。凡是采用電氣元件(裝置)來實現自動控制的手段稱之為電氣控制。這里電氣元件(裝置)包括三極管、接觸器、空氣開關、計算機和PLC等。而電氣工程中專門將采用繼電器和接觸器等低壓電器來實現電氣控制的方式稱之為繼電器—接觸器控制，簡稱電器控制。可見電器控制屬于電氣控制中的一種方式。電氣控制方式還包括PLC控制和計算機控制等。

2.2 工業自動控制系統的實現

這門課的特點是既學習電氣元件，又學習系統的分析和設計;既有強電，又有弱電;既有硬件，還包括軟件;同樣的控制問題既可以用電器控制實現，又可以用PLC控制實現;電氣線路多且復雜。這使學生源于對“工業自動控制系統的實現”這一課程內涵把握不夠。如果能以這一內涵為主線統領整個教學過程，則會使學生的思路清晰。例如我們在學習電動機的電器控制線路時，如果能夠清楚地認識到電動機是被控對象，接觸器是執行機構，繼電器是測量反饋元件，按鈕是給定元件，控制器則是由這些低壓電器組合構成，而控制算法是由相關電器開關狀態的邏輯組合，則學生就不再認為學習電器控制線路需要死記硬背了。在學習PLC的定義時，只要緊緊認定PLC是一種通用的工業控制器，一種專門用于工業控制場合的通用工業控制計算機，則PLC的面目不再神秘。

2.3 加大PLC控制部分的學時

本課程內容包括“電器控制”和“PLC控制”兩部分。我們知道PLC控制脫胎于繼電器控制，繼電器控制是PLC控制的基礎，因此在學時分配上爭取用較少的學時講授“電器控制”部分，主要講清楚各種常用低壓電器的用途及選型，電動機的典型電器控制線路和基本控制規律，而對常見機床電器控制線路的分析則不再講解。

2.4 “硬件配置”和“梯形圖編程”的內容并重

我們經常會發現很多學生設計梯形圖很順暢，但是不會為PLC的基本單元配置擴展單元，而且PLC與I/O設備的連線經常接錯，遇到錯誤更不會軟硬件結合調試。究其原因就是不重視PLC硬件組成及其I/O接口電路部分的學習。

在“PLC與I/O的設備接線”部分的學習中，特別要注意的幾點:①輸入回路的公共端是共“源”還是共“漏”;②輸出回路哪幾組公用一個公共端;③輸出回路的類型及其驅動能力。只有很好掌握這三點才能正確完成PLC與I/O設備的連線，保證控制器能接收到控制命令和現場的反饋信號，通過執行用戶程序產生的控制信號也才能暢通無阻地輸出給執行機構。

2.5 重視“功能指令”的教學

隨著PLC的發展及其應用的普及，它早已突破了純粹開關量控制的局限而進入到過程控制、位置控制、通信網絡和圖形工作站等領域，成為機電控制及過程控制不可缺少的核心控制部件［1］。以往我們只講授基本邏輯指令，而淡化功能指令的教學模式。而PLC強大功能如數據處理、模擬量運算和外部設備通信等的實現則有賴于功能指令，因此要使用PLC這種工業控制器，就必須學習功能指令使用及其編程。

2.6 重視“PLC通信聯網”的教學

自動控制系統從傳統的集中式控制向多級分布式控制的方向發展是大勢所趨，而且現在的PLC都具有通信聯網功能。PLC與其他智能設備可以很方便地組成集中管理和分散控制式的控制系統。圖2所示為西門子公司的SIMATIC網絡結構。

我們如果對“PLC通信聯網”的教學不夠重視，則學生不但不能適應控制系統發展的潮流，而且是對PLC資源的極大浪費。

3 強化實踐教學環節

圖2 西門子SIMATIC網絡結構

在培養卓越工程師的背景下，我們要明確本課程對學生能力培養的目標是:①掌握PLC的硬件配置及接線;②學會PLC的編程方法;③掌握PLC控制系統的設計、調試步驟和方法;④掌握常用低壓電器的選型及安裝;⑤掌握電氣原理圖、安裝接線圖的閱讀及繪制規范。

要將知識轉化為工程實踐能力，必須加強實踐環節。我校除了改革課內實驗教學內容，增加實驗學時，增設設計性實驗內容之外，還單獨開設了為期三周的“PLC控制系統綜合訓練”課程。該綜合訓練的實施辦法是:首先教師要以實際工程項目為背景，從中提煉出綜合訓練的內容并以任務書的形式下發給學生，然后3－4名學生為一個小組完成系統設計和在實驗模擬調試，最后給出成績評定。在任務書中，我們不但不限定PLC的機型，而且給學生充分的自由發揮的空間，設置了上位組態的編程等項目可供學有余力的學生選擇。

為了實施“卓越工程師培養計劃”。教師應通過科研去了解實際生產的需要及生產實踐中正在使用的新知識和新技術，然后將這些新技術補充進課堂，豐富教學內容。在課堂教學中，以實際工程項目作為案例教學可以激發學生的學習積極性和創新精神。教師通過科研項目積累了實踐經驗，可以更好地指導學生實驗和綜合訓練。

［1］鐘肇新，范建東.可編程控制器原理及應用(第三版)［M］.廣州:華南理工大學出版社，2005

［2］任彥，崔桂梅.“電氣控制與PLC技術”教學改革的探索［J］.上海:實驗室研究與探索，2011，30(1):112-113

［3］熊凌，吳懷宇，程磊等.電氣控制類專業主干課程教學研究與實踐［J］.南京:電氣電子教學學報，2009，31(S2):92-94.