工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與組態(tài)技術(shù)在可編程控制器教學(xué)中的交互應(yīng)用研究

陳孟元，郎 朗

（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽蕪湖 241000）

當(dāng)前，自動化技術(shù)的發(fā)展極具活力，控制理論和新技術(shù)對PLC的滲透性和互補性極強。在自動化日新月異的發(fā)展中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件組態(tài)技術(shù)、智能控制理論使PLC如虎添翼，使其應(yīng)用面幾乎覆蓋所有的工業(yè)企業(yè)，日益躍居現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱的主導(dǎo)地位［1］。針對工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，高校的主要任務(wù)是要培養(yǎng)和輸送優(yōu)秀的工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用型人才［2］。所以可編程控制器課程教學(xué)改革，有機整合與PLC密切相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件組態(tài)技術(shù)，對夯實自動化類專業(yè)的課程平臺起到了重要的作用［3］。教學(xué)過程的優(yōu)化設(shè)計對于推動自動化專業(yè)創(chuàng)新教育、培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)和全面發(fā)展的應(yīng)用型工程技術(shù)人才，有一定的理論價值和實踐指導(dǎo)意義。通過系統(tǒng)的鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題和綜合設(shè)計系統(tǒng)的能力及增強學(xué)生就業(yè)競爭力，具有非常重要的意義［4］。

1 構(gòu)建一個創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實驗平臺

為了對可編程控制器課程構(gòu)建新的技術(shù)知識體系和實踐能力培養(yǎng)體系，自動化專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)模式和實驗平臺的創(chuàng)建與改革刻不容緩。2007年電氣工程學(xué)院構(gòu)建了一個創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實驗平臺，經(jīng)過2年的實踐，讓學(xué)生在虛擬工業(yè)現(xiàn)場感受網(wǎng)絡(luò)化、分布式控制系統(tǒng)的先進性和優(yōu)越性，為學(xué)生將來進入工業(yè)控制領(lǐng)域打下一個堅實的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)實驗室的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)實驗室的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用西門子PLC為主體，建立工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS－DP的2種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通信方式靈活多變，幾乎涵蓋工業(yè)控制領(lǐng)域所有的通信方式，完全模擬工業(yè)控制現(xiàn)場，被控對象有模擬電梯系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、順控系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)等。系統(tǒng)具有現(xiàn)場控制和網(wǎng)絡(luò)控制的功能，既能單機獨立控制、獨立運行，又能進行聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)了現(xiàn)場操作和網(wǎng)絡(luò)計算機同步觀測與分析相結(jié)合，可以通過現(xiàn)場控制與信息化管理相結(jié)合實現(xiàn)工業(yè)過程的管控一體化，建立了監(jiān)控系統(tǒng)，并利用學(xué)院計算機房45臺PC 機對控制對象實現(xiàn)設(shè)計和操作，學(xué)生一人一組，通過監(jiān)控系統(tǒng)觀測到控制結(jié)果，實現(xiàn)了資源共享。

2 課程內(nèi)容的調(diào)整和教學(xué)方法的改進

在教學(xué)改革的過程中，按照自動化專業(yè)的特點以及工業(yè)控制領(lǐng)域的需求，對其課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、教學(xué)方法進行全面建設(shè)，形成一個交叉補充、相互配合的教學(xué)資源有機整體。

2.1 課程內(nèi)容的調(diào)整

該課程系列已構(gòu)成從授課、答疑、實踐環(huán)節(jié)（包括實驗、綜合大實驗）到考核等的完整的教學(xué)體系，重新修訂了“可編程控制器”的課程教學(xué)大綱及“綜合性大實驗”等項目大綱，從以PLC 為控制核心的控制系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)出發(fā)，整合包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組態(tài)技術(shù)等的新PLC課程理論教學(xué)內(nèi)容體系。

PLC課程40學(xué)時，其中實驗10學(xué)時。組態(tài)技術(shù)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)在綜合大實驗中完成，分別是30學(xué)時，讓學(xué)生學(xué)習(xí)具有完整控制層、監(jiān)控管理層、遠程監(jiān)控層3層結(jié)構(gòu)的PLC 控制系統(tǒng)。在強調(diào)課程基本理論的基礎(chǔ)上，加強了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，凸顯了其實際工程應(yīng)用的屬性。以創(chuàng)新教育為目的，突出綜合性與設(shè)計性實驗內(nèi)容，增加與工程實際課題相結(jié)合的綜合大實驗和畢業(yè)設(shè)計，使教學(xué)內(nèi)容既能適應(yīng)生產(chǎn)實際要求，又能使學(xué)生視野開闊，動手能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉和提高［5］。

2.2 教學(xué)方法的改進

制作了優(yōu)秀的教學(xué)課件。在教學(xué)中，多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合。以多媒體作為教學(xué)的基本工具，將得到廣泛應(yīng)用的中小型PLC，如三菱FX 系列、西門子S7系列PLC 實物圖片、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容以靜態(tài)或動畫等形式展現(xiàn)于課堂，利用PLC的仿真軟件形象地實現(xiàn)短小應(yīng)用程序的控制原理、梯形圖功能的描述，力求課堂教學(xué)內(nèi)容豐富、生動、形象、直觀、易于理解，加大知識獲取的信息量，緩解課時有限和教學(xué)內(nèi)容豐富的矛盾［6］。在教學(xué)中也充分利用傳統(tǒng)的教學(xué)手段，如板書、教師形體語言優(yōu)勢等，與多媒體教學(xué)互相兼顧，相得益彰，既調(diào)整教學(xué)節(jié)奏，又給學(xué)生思考的時間。同時注意教師與學(xué)生之間的互動交流，通過提問、練習(xí)、學(xué)生上臺板書答案、交流討論等抓住學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生思考的熱情，提高教學(xué)質(zhì)量［7］。

3 實踐教學(xué)體系的研究與實踐

教學(xué)改革的內(nèi)容加強了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，凸顯了其實際工程應(yīng)用的屬性。以創(chuàng)新教育為目的，增加與工程實際課題相結(jié)合的綜合性實驗，使教學(xué)內(nèi)容既能適應(yīng)生產(chǎn)實際要求，又能使學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉和提高［8－9］。

在實踐環(huán)節(jié)上從普通的驗證性及簡單的設(shè)計性實驗開始，建立一套完整的相互關(guān)聯(lián)與補充的實踐教學(xué)體系，課外仿真與課內(nèi)實驗結(jié)合，虛擬實驗與實際現(xiàn)場對象結(jié)合，基礎(chǔ)實踐與設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性實踐結(jié)合，單一的控制模式與多模式結(jié)合，單機、簡單網(wǎng)絡(luò)控制與多層網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合，本地與遠程網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的開放實驗平臺上，充分利用相關(guān)的實驗室的資源，建立多模式、多層次、循序漸進的實驗規(guī)范，見表1。

表1 多模式、循序漸進的實驗層次

這種逐步擴展、循環(huán)上升的教學(xué)目的非常明確，就是加深學(xué)生對PLC、組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理解，有助于學(xué)生建立系統(tǒng)概念，同時注重本科的實踐教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性、新穎性、綜合性、創(chuàng)新性，進行拓展性和綜合性的教學(xué)，這是學(xué)生提高獨立開發(fā)與綜合應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)。

學(xué)院計算機房45臺PC 機和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實驗室聯(lián)網(wǎng)，資源共享，參加實驗的學(xué)生可以一人一組對控制對象實現(xiàn)設(shè)計和操作，通過監(jiān)控系統(tǒng)觀測到控制結(jié)果。該項教學(xué)內(nèi)容通過在自動化2004級春、秋6個班和2005級3個班的實踐，取得了良好的效果。學(xué)生經(jīng)過綜合大實驗和設(shè)計性實驗的訓(xùn)練，縮短學(xué)習(xí)和工作的差距，使得學(xué)校到單位的過渡變得很順利，特別是知識的遷移能力強，對新工控產(chǎn)品上手快，后勁足，提高了本專業(yè)學(xué)生的競爭實力，做到學(xué)以致用，為學(xué)生初次就業(yè)并很快適應(yīng)工作崗位起到了至關(guān)重要的作用，也使優(yōu)秀的畢業(yè)生可在工控領(lǐng)域的研究和系統(tǒng)集成技術(shù)方面做出有意義的貢獻。

每學(xué)年自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計都有部分涉及PLC、組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課題，他們在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的真正科研訓(xùn)練，初步了解了科研的過程，提高了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，并取得優(yōu)秀的成績，為他們今后的繼續(xù)深造或工作奠定了基礎(chǔ)。

4 綜合性的教學(xué)模式為夯實自動化類專業(yè)的課程平臺起到了重要作用

針對工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，實現(xiàn)我校“以主動服務(wù)地方經(jīng)濟為主線，打造我省強勢本科，強化社會服務(wù)功能，努力把學(xué)校建成特色鮮明、競爭力強的多科性大學(xué)”的辦學(xué)目標，為地方經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)和輸送優(yōu)秀的工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用型人才，有機整合與PLC密切相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件組態(tài)技術(shù)，對夯實自動化類專業(yè)的課程平臺起到了重要的作用。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實驗室具備模擬工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)過程的功能，既能完成單項認知型和綜合型實驗，又能完成開發(fā)設(shè)計型實驗，既能單機獨立控制、獨立運行，又能進行聯(lián)網(wǎng)控制，還能進行現(xiàn)場控制與信息化管理相結(jié)合，實現(xiàn)工業(yè)過程的管控一體化，為學(xué)生的綜合大實驗、畢業(yè)設(shè)計、課外研究性學(xué)習(xí)、學(xué)科競賽提供了一個全新的、開放的、綜合的、實戰(zhàn)的、研究型學(xué)習(xí)環(huán)境，也為教師和研究生提供了當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域先進控制技術(shù)的實驗平臺。

在PLC的教學(xué)中采用綜合性的教學(xué)模式，與相關(guān)課程進行緊密的知識融合，將PLC 與變頻器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及現(xiàn)代監(jiān)控技術(shù)融合，探索出課程組之間、理論教學(xué)與實踐教學(xué)之間相互交叉、相互滲透、緊密結(jié)合的教學(xué)新體系。學(xué)生通過對本課程的學(xué)習(xí)和研究，達到具有全面的可編程控制器的基本知識，及良好的進行基本的系統(tǒng)分析、選型、軟硬件的設(shè)計、調(diào)試等實驗的動手能力，在觸摸屏技術(shù)和工業(yè)組態(tài)軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上，了解和學(xué)習(xí)多種上位監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理方式，具備利用可編程控制器、現(xiàn)場總線、組態(tài)軟件進行系統(tǒng)集成的應(yīng)用能力，為畢業(yè)后的工程實踐打下扎實的基礎(chǔ)。

教師是教學(xué)活動的主導(dǎo)，是教學(xué)改革的主力軍，只有高水平的教師，才能培養(yǎng)出高質(zhì)量的人才，只有具有創(chuàng)新素質(zhì)的教師，才能造就具有創(chuàng)新精神的學(xué)生。通過綜合性的教學(xué)模式和自動化類專業(yè)的課程平臺，帶動課程團隊建設(shè)和水平提高，建設(shè)一支較高的教學(xué)、科研創(chuàng)新能力的教師隊伍，使教師具有引導(dǎo)學(xué)生研究問題、幫助學(xué)生解決創(chuàng)新活動中遇到的問題的能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才奠定良好的基礎(chǔ)［10－11］。

5 結(jié)束語

通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組態(tài)軟件等新的PLC 課程體系的交互應(yīng)用研究，推動了自動化專業(yè)的創(chuàng)新教育，同時也使我們自動化專業(yè)上水平、上臺階。我們要在探索理論教學(xué)與實踐教學(xué)、課程的知識與能力、核心技術(shù)與支撐技術(shù)之間相互交叉、相互滲透、緊密結(jié)合的教學(xué)新體系的基礎(chǔ)上:修正教學(xué)培養(yǎng)方案和大綱，并在實施中不斷優(yōu)化；對現(xiàn)有的實驗條件和資源不斷建設(shè)和優(yōu)化，更合理地開展具有專業(yè)特色的綜合性大實驗；將課內(nèi)實踐教學(xué)與課外多種科技實踐教學(xué)緊密結(jié)合，建立和加強開放實驗室，創(chuàng)建學(xué)生個性特色得以充分發(fā)揮的時間與空間，鼓勵學(xué)生積極參與課外科技競賽、科技項目，實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標［12］。

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