“電氣控制與PLC原理”課程綜合性實驗教學探索與實踐

曹勝敏，馬 壯

(唐山學院 智能與信息工程學院， 河北 唐山 063000)

學生的工程實踐能力是衡量高等工程教育教學質量的重要指標?！肮こ探逃娜瞬排囵B必須面向工程實際，加強工程訓練。”[1]因此，根據《關于開展新工科研究與實踐的通知》對學科專業建設提出的要求以及《工程教育認證標準》[2]對工科學生工程實踐能力的畢業要求，對“電氣控制與PLC原理”課程的實驗教學進行探索。

1 “電氣控制與PLC原理”課程設置情況

“電氣控制與PLC原理”課程在本科自動化類和機電類專業中均有設置，包含電氣控制和PLC原理及控制兩部分內容。這兩部分內容，有的專業分開設課，有的合并設課。雖然課程名稱、課時量和開設方式不同，但內容差別不大。

“電氣控制與PLC原理”在自動化專業的課程設置中是合并設課，課程大綱要求掌握的三部分內容為：一是電氣控制部分——低壓電器、單元控制電路、典型機床控制電路；二是PLC部分——PLC的工作原理、硬件與軟件系統、程序設計方法、通信與網絡；三是實驗部分——電氣控制實驗和PLC實驗。其中，實驗教學是重要的課內實踐環節，實驗均依托實驗裝置，但是設備選型和關鍵接線已經固化，學生只需簡單接線操作和程序的輸入驗證即可完成實驗，因此學生無法實現對知識的系統性學習。

2 綜合性實驗設計

2.1 綜合性實驗設計思路

為培養學生解決實際工程問題的能力，加強學生對所學知識的應用能力，開設綜合性實驗是一種有效的措施。綜合性實驗是指學生在掌握了相關基礎理論知識和技能后，綜合利用一門或多門課程知識對實驗內容、方法、技能進行綜合性訓練的一種復合性實驗。

根據《工程教育認證標準》，以培養學生解決復雜工程問題能力為目標，參照“工程知識”“問題分析”“設計/開發解決方案”“研究”“使用現代工具”“溝通”“終身學習”等方面的畢業要求，確定“電氣控制與PLC原理”課程綜合性實驗的具體內容與要求。

在課程學習階段，學生已經掌握了電機和傳感器等相關知識，掌握了電氣控制部分的單元控制電路、PLC指令系統和PLC編程方法，并有驗證性實驗的學習經歷。在掌握相關知識的基礎上，學生需要脫離實驗設備，根據要求完成從電源到控制終端的完整的PLC控制系統的設計、安裝、調試的實驗課題，并整理資料，以獲得工程體驗。此綜合性實驗課題包含電氣控制、PLC控制、電機、變頻器、檢測、供電等知識，涵蓋方案確定、硬件選擇、導線選擇、變頻器參數設定、PLC程序設計等過程，涉及計算機繪圖、電路安裝、系統調試等技能，將“工程知識”等幾個方面的畢業要求融入整個實驗教學過程，從而促進學生提高應用所學知識“解決復雜工程問題”的能力。

在此設計理念下設計了綜合性實驗課題：“三相交流電動機多段速控制系統”“蔬菜大棚溫度控制系統”和“教室照明智能控制系統”，這3個課題構成了整個“電氣控制與PLC原理”課程的綜合性實驗內容，涵蓋了此課程的主要知識點。

2.2 綜合性實驗的教學組織

在綜合性實驗的教學組織和實施過程中，將實驗分為3個階段。第一階段為啟動與準備階段。在“電氣控制與PLC原理”課程開始時，教師將綜合性實驗的意圖和內容進行介紹并招募成員，每個實驗課題組以3-4人為宜，然后教師說明綜合性實驗的進度要求。第二階段為綜合性實驗的實施階段。在教師講完課程的每個知識點后，課題組針對相關問題完成預定的階段成果并進行匯報。在課程結束后，課題組進行系統電路的安裝和調試。第三階段為項目文件整理、成果提交和驗收階段。

3 綜合性實驗的要求、原理和方案——以“三相交流電動機多段速控制系統”課題為例

3.1 實驗要求

“三相交流電動機多段速控制系統”綜合性實驗課題以導線生產過程中的卷繞速度為控制對象，導線卷繞系統將成品導線卷繞到卷軸上，卷軸直徑隨著卷繞的時間逐漸增大，為使導線受力均勻，要求卷軸的轉速隨時間逐漸降低，利用變頻器多段速控制如下：

系統正向卷繞，按正轉啟動按鈕，為保證啟動過程平穩，設置啟動時間為15 s到達最高速的工頻50 Hz，20 s后第一層繞滿，電機改以47 Hz頻率運行繞制第二層，再20 s后電機以44 Hz頻率運行繞制第三層，再20 s后電機以41 Hz頻率運行繞制第四層，再20 s后電機以38 Hz頻率運行繞制第五層，再20 s后電機以35 Hz頻率運行繞制第六層，再20 s后電機以31 Hz頻率運行繞制第七層，再20 s后停止。如果中途按停止按鈕停止后再次啟動，需保持停止前的速度。

3.2 實驗原理

轉速公式：

式中，f為電源頻率，p為極對數，s為轉差率。

根據轉速公式，三相交流電動機的調速方法有三種，即：變頻調速、變極對數調速和變轉差率調速。本例即為變頻調速，采用變頻器輸出七種頻率實現電機的七種轉速，并利用PLC實現控制邏輯。

選用變頻器FR-E500。變頻器的控制端RH，RM，RL組合構成七種有效頻率使電機實現七段速，如圖1所示。變頻器1-7速對應的參數分別為Pr.4，Pr.5，Pr.6，Pr.24，Pr.25，Pr.26，Pr.27。利用PLC數字量控制程序控制變頻器RH，RM，RL3個端子的狀態實現控制要求。

圖1 變頻器七段速

“三相交流電動機多段速控制系統”原理如圖2所示。選用PLC為S7-1200CPU1214C，AC/DC/RLY型，訂貨號為6ES7214-1BG40-0XB0，電源電壓為220 VAC，DI電壓為24 VDC，DO電壓為24 VDC或220 VAC。變頻器的主電路電壓為380 VAC，控制電路電壓為24 VDC。PLC數字量輸出端與變頻器的轉向、速度控制端按圖2接線。

圖2 “三相交流電動機多段速控制系統”原理圖

3.3 實驗實施方案細則

教師為每個實驗制定實施細則，按課程進度將任務細化，要求學生學完相應知識點后完成相應的任務和考核目標，提交相應的成果，確保完成綜合性實驗，詳見表1。

表1 “三相交流電動機多段速控制系統”綜合性實驗實施細則

續表

4 結論

用綜合性實驗將“電氣控制與PLC原理”以及相關課程的各個知識點串聯起來，脫離實驗設備，按照工程要求設計實驗方案、繪制系統電路圖和接線圖、選擇設備并進行安裝調試、整理文件，使學生體驗了完整的工程問題解決過程。指導教師在指導實驗的過程中，增加了與學生的接觸，不僅可以發現學生對知識的接受程度和接受能力，還可以發現學生接受知識的風格特點，這使教師的課堂教學更有針對性、更有活力[3]，取得更好的教學效果。

通過對24個綜合性實驗組進行為期2年的“電氣控制與PLC原理”綜合性實驗訓練，筆者得到實驗組成員的以下4點反饋：一是在實驗的過程中，通過有效溝通和交流，能發揮團隊合作優勢，提高協作能力；二是認識到解決實際問題過程是基礎知識、專業知識和專業技能的綜合應用過程；三是體會到要圓滿完成一個項目，每一個環節都要精益求精，都需要進行深入研究；四是學到了課程以外的知識，提高了學習興趣，增加了學習動力，希望完成更多課題。

可見，綜合性實驗的實施符合新工科“創新工程教育方式與手段，推動新工科自主發展自我激勵機制”的理念，對培養學生解決復雜工程問題的能力有極大的促進作用。