專業認證背景下PLC 復雜系統設計教學探討

徐鹿眉，王希鳳，喬爽，李萍，宋起超

（黑龍江工程學院電氣與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

1 工程教育專業認證背景下的復雜工程問題

工程教育專業認證對于復雜工程問題有明確的要求，提出了新的標準。新的標準對培養學生綜合運用專業知識解決復雜工程問題能力的要求,使得學生能夠達到新標準中界定的畢業要求,達到培養高質量電氣專業人才的要求。對于最關鍵的解決復雜工程問題，如何理解與實施顯得至關重要，最后的關鍵主要應落實到如何在教學過程中進行復雜系統的設計。對于電氣工程及其自動化專業的學生，PLC 控制系統應用相當廣泛，其在教學中是重點，對于PLC 復雜控制系統設計的教學工作也就成為了重中之重。

2 PLC 復雜控制系統設計在教學中的地位

傳統的工程教育存在著定位不清晰、目標不明確等不足。工程應用能力要在實踐中培養，PLC 理論課程與實踐結合顯得非常重要，如何把PLC 理論課程與相關實踐結合好是其中關鍵。對于電氣工程及其自動化專業的學生，電氣控制與PLC 技術課程是重要的專業課，針對PLC 控制系統設計開設專門的工業控制系統實習實踐課程。在培養方案中圍繞著PLC 復雜控制系統相關課程關系圖如圖1 所示。

圍繞著課程改革，具體授課學期計劃安排信息見表1 所示?？驁D1 中的每門課程都針對本課程在復雜PLC 控制系統中的位置進行課程目標設定和內容安排，使各門課程都有側重，最后形成有機的整體，進而使學生能夠完成復雜的PLC控制系統設計。

圖1 PLC 復雜系統教學相關課程關系圖

3 針對PLC 復雜系統設計教學方法研究

3.1 PLC 復雜系統量化

對于復雜工程問題所面對的復雜PLC 系統設計，首先要確定什么樣的PLC 控制系統是復雜系統，PLC 復雜系統的量化見表2。量化原則是根據教學目標、教學內容、教學條件和教學經驗等多方面進行綜合得出的10 條指標。

3.2 復雜PLC 系統設計

對于復雜PLC 控制系統設計要遵循循序漸進的原則，先進行簡單的小系統設計，待學生積累了一定經驗后再進行大的復雜控制系統設計。

（1）課程大作業、實驗和仿真。電氣控制與PLC 課程目標要求學生掌握常用低壓電器和PLC 的原理分析方法及常用器件設計的基本理論和方法，具有一般PLC 控制裝置設計的能力。在電氣控制與PLC 課程中布置一些大作業形式的簡單的PLC 控制系統設計，要求學生完成控制系統的總體設計、主機選型和I/O 分配。

表1 PLC 復雜系統教學推進表

表2 PLC 復雜系統量化表

PLC 控制技術作為一門專業性和實踐性非常強的課程，安排的實驗和仿真項目，如像搶答器控制和交通燈控制，使學生學會實驗設備如S7-200PLC 實驗箱和S7-300 PLC 實驗臺操作，能夠使用STEP 7 編程軟件進行編輯、下載和運行程序，完成控制程序的調試。通過PLCSIM 等工程軟件的講解和演示，使學生學會使用仿真軟件進行程序仿真和調試。這樣的實驗項目雖然簡單但比較有代表性，能夠鍛煉順序和時序編程能力，同時也能提高編程軟件和仿真軟件的操作能力。

（2）課程設計或實習。針對PLC 復雜系統設計安排工業控制系統實習，使學生具備綜合運用PLC、電機和傳感器知識，獨立分析和解決工業控制系統原理、結構、系統和工程問題能力。掌握PLC 控制系統設計方法，具備工業控制領域系統設計或改進能力。在實習過程中，注意讓學生理解復雜控制系統，掌握復雜系統設計過程和方法。在實習期間，學生盡管設計的仍是簡單的小系統，但其整個過程完全和復雜的大系統設計相同，是簡化版的畢業設計。10 天實習過程中教師每天都有講授內容，講授完成后布置當天實習任務，學生聽完后完成相應設計，當天或第二天有相應的檢查與評分。

（3）畢業設計。畢業設計是最終檢驗學生解決復雜工程問題尤其是設計復雜控制系統的重要環節，學生經過三年半的學習和積累，無論在知識水平上和設計能力上是整個大學四年中最高、最強的時期。學生在畢業設計期間設計復雜的PLC 控制系統也是為了使學生提前適應將來的工作崗位，這樣畢業設計選題時要與學生就業方向相結合，盡量選擇與工作單位相關的題目，這樣的復雜系統設計題目不會顯得空洞。畢業設計選題方向要符合國家提出的“制造業2025”發展規劃，其基本內容絕不單純只針對世界流行的“工業4.0”，其還肩負著我國現有的比較落后工業制造設備和網絡的改造。設計中既包括比較高端的工業控制網絡，又包括比較低端的老舊設備的改造與換代，這也是一種在校大學生能夠實現的創新，符合國家最新政策。

3.3 PLC 復雜系統設計成果

（1）設計報告。設計報告緊扣實習項目，根據實習要考查的項目安排章節內容，主要包括總體設計、硬件設計、軟件設計、軟件仿真、硬件聯調和實習總結，其中包括控制系統原理圖和程序清單。

（2）系統工程。PLC 系統工程是指在PLC 系統設計、仿真和調試過程中，通過設計、編輯、組態、仿真和調試等操作形成的硬件組態、控制程序和圖形界面等軟件工程，主要由STEP7、PLCSIM 和WinCC 三者組成。PLC 控制系統工程分為設計與仿真工程和實驗室調試工程，設計與仿真工程是按實際任務書進行設計制作的工程，在實驗室現場調試時受現場硬件和軟件條件所限要重新制作調試工程。

（3）系統照片和錄像。在進行系統仿真時要進行屏幕截屏或錄像，截屏圖片粘貼到報告或論文中。在實驗室現場調試時，要求拍攝照片和錄像，記錄現場設計運行狀態和調試結果。

3.4 PLC 復雜系統設計評價與考核

對PLC 復雜系統設計評價與考核是一個綜合評價過程，首先，評價過程貫穿設計的整個過程，包括系統設計、軟件仿真和硬件聯調階段。其次，評價內容多樣，包括論文、圖紙、仿真圖片、調試照片和錄像等多項內容。

4 結語

PLC 復雜系統的設計是一個較長時間的過程，這也要求培養學生不單純只是設計一個復雜的控制系統，而是要從設計、仿真、調試和運行等全過程對學生進行培養，使學生能夠綜合運用相關專業知識解決復雜工程問題，這樣才能培養出合格的人才。