“電氣控制與PLC應用”課程教學改革

朱曉東，王 杰

(鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州 450002)

可編程序控制器(PLC)是一種專用于工業控制的計算機。在實際當中，采用PLC的控制系統其設計往往會涉及到電機、繼電器、PLC、變頻器、伺服控制以及通訊、控制理論和組態軟件等多個方面。

1 課程教學現狀

“電氣控制與PLC應用”作為一門綜合性應用技術課程，存在以下問題。

(1)教學中實驗設備不足，無法滿足學生單獨實驗的要求;

(2)在實際中PLC控制系統的設計往往需要綜合多方面知識，如電路圖繪制、元件選型、程序設計、變頻器與伺服電機控制和組態設計等。如何綜合這些內容進行PLC控制系統設計的教學，仍然是該課程教學研究的重點;

(3)目前實驗裝置大都采用插線式，學生自主動手機會小。這樣的實驗裝置雖簡化了實驗步驟，但學生無法得到實際工程方面的訓練。

這些情況嚴重制約了學生實際應用能力的培養，學生學完課程后對于PLC的應用依舊茫然，不清楚如何著手進行整個系統的設計。為完善這門課程的教學，很多教師進行了各方面的探索［1，2］。對此，筆者也利用項目教學法探索適合本課程的開放式教學方法。

2 項目式教學方法

項目教學法的指導思想是將一個相對獨立的工程項目交予學生完成，即從信息收集、方案設計與實施，到完成任務后的評價，都由學生獨立完成。教學過程中，教師只是學生學習過程中的引導者、指導者和監督者［3］。項目教學法的突出特點就是要通過一個完整工程項目的實施，將課程相關知識點貫穿其中。

一個完整的PLC控制系統設計過程通常包括以下幾個方面［4］:①深入了解被控對象的工藝條件和控制要求;②確定I/O設備，選擇PLC機型;③分配I/O點，繪制設備接線圖;④設計應用程序;⑤設計控制平臺和電氣柜;⑥進行軟件測試及系統整體調試;⑦系統聯機調試;⑧編程技術文檔。

在這一設計過程中，僅有部分是“電氣控制與PLC應用”課程所講授的內容，其他未講授的內容恰恰是該課程在實際應用中所需的。因此，筆者在進行教學項目設計時不再局限于“電氣控制與PLC應用”這一門課程的知識，而是將實際工程項目涉及的內容都融合在教學項目中。這樣可以提高教學的實踐性、開放性和先進性，讓課程與企業實際生產結合，教學過程即是一個工程項目的設計過程。

3 教學項目設計

教學項目以一個生產線的局部控制為例，該生產線如圖1所示。

圖1 生產線平面示意圖

圖中標示為A的帶狀線段表示相連的四條傳送帶，分別由兩個電機M2和M3控制。上部方框表示裝盒機構，即把物料裝入傳送帶上的料盒中。F為裝盒機構的示意圖，立面圖如圖2所示。工藝過程為:空盒由傳送帶傳送至裝盒機構，C和D分別為阻擋空盒運行的阻擋氣缸，E和B為檢測空盒數量的光電開關，每通過6個空盒，氣缸C阻擋后續空盒送入，同時氣缸D放行，6個空盒進入裝盒機構。在裝盒期間，氣缸D阻擋，氣缸C放行，以便下一次再放行6個空盒。

圖2 生產線機構立面圖

圖2所示的裝盒機構，伺服電機帶動空盒進行三個不同工位的處理，這三個工位分別是整理氣缸、物料入盒及整理氣缸2。空盒到達整理氣缸時，其主氣缸下落，分氣缸動作，對空盒進行位置整理并送至下一工位;在物料入盒工位將物料裝入空盒中;在整理氣缸2工位，主氣缸下落，三個分氣缸分別進行盒中物料橫向、縱向整理以及物料壓實操作。然后裝有物料的盒子進入下一工序。

通過這一簡單的生產機構，要求學生按照給出的設備數據和控制要求進行項目的完整設計，即要求完成從電氣設備的選擇、電氣原理圖、程序設計、系統連接和模擬調試等設計的全過程。其知識涉及到AutoCAD軟件、低壓電器、檢測元件、變頻器、伺服電機、電磁閥、PLC、HMI、模擬量變送器、電機和組態軟件等，涵蓋了“控制理論”、“工程制圖”、“PLC設計”、“電路”和“計算機控制”等課程內容。通過這一項目式教學，使得學生能夠初步掌握PLC控制系統的基本過程和方法。

4 教學任務分解

根據項目的開發過程，將教學進度和教學內容按照項目開發過程進行逐項分解，具體劃分為:①了解對象的控制要求;②電氣設備選型;③硬件設計;④軟件編程;⑤設備調試;⑥系統聯調;⑦設計文檔和撰寫操作說明書。

我們為每一個教學任務都詳細列出具體要求和方法、考核的知識點以及評價方式，使學生能夠清晰地了解到所做工作的意義，促使學生按照工程設計規范進行學習。

5 教學措施

為保證項目教學的有效進行，筆者在教學中采取了以下方法和措施。

(1)根據學生選課人數的多少，由3-5人組成項目小組共同完成各階段的任務，落實每個人完成的具體內容，以便評價;

(2)教師利用幾個課時講解“電氣控制與PLC應用”課程的教學內容;

(3)教師給出詳細的項目工藝過程、設備參數和工藝要求文檔;

(4)在每一個設計階段開始前，教師首先介紹相關的知識和設計方法;

(5)設計中不限制設備，學生根據控制要求自行選擇硬件和軟件;

(6)教師利用課堂、答疑時間以及郵件、手機等方式及時解答學生遇到的具體問題，保證學生能夠順利進行每一階段的設計工作;

(7)每一階段結束，我們都要求學生提交完整的設計資料以及設計過程的總結報告，作為課程成績的考核依據;

(8)限于實驗條件，對于項目式教學過程中一些無法實踐操作的環節，筆者利用仿真軟件、圖片、錄像以及學生到廠實習等不同手段，盡可能地使學生了解實際的設備運行和系統調試過程。

［1］ 苗紅霞，齊本勝.PLC控制技術實驗教學改革研究與實踐［J］.北京:實驗技術與管理，2010(3):136-139

［2］ 束長寶，李新兵，王永華，“電氣控制及可編程控制器”教學改革初探［J］.南京:電氣電子教學學報，2005(6):第82-85頁

［3］ 鄧鐵軍，陳穎，賀志軍.基于PMBOK原理的“項目式”教學法研究［J］.武漢:高等工程教育研究，2010(1):159-163

［4］ 陳建明主編.電氣控制與PLC應用［M］.北京:電子工業出版社，2008