電氣控制與PLC多層次實踐教學平臺的構建

李自成，孔慶堯，王后能，熊 濤，曾 麗

（武漢工程大學電氣信息學院，武漢 430205）

0 引言

隨著工業自動化、數字化、智能化的發展，智慧工廠已成為工業發展的未來方向。國內外對制造業的發展均十分重視，并針對其制定一系列策略。在國外，德國制定“工業4.0”、美國制定“工業互聯網”，國內也對應制定“中國制造2025”，各國制造業創新戰略對于未來的工程技術人才要求也逐漸提高［1-3］。因此，在電氣類、自動化類專業培養方案中，一般開設電氣控制與PLC這一面向智能制造領域的重要專業課程。目前課程教學一般采用傳統的理論與基礎實驗相結合的模式，但是理論與實驗容易脫節，學生缺乏獨立動手、獨立解決問題的機會，因此學生的綜合工程實踐能力無法得到培養，實踐教學效果不佳。近年來，很多高校依托與本專業相關的企業和學科競賽開展實驗室實踐探索和教學模式改革，取得一定成果并構建出不同的實踐教學體系［4-9］。本文在多年電氣控制與PLC 教學實踐基礎上，結合本校參加“西門子杯”中國智能制造挑戰賽和“臺達杯”高校自動化設計大賽的經歷，通過對基礎實驗、虛擬仿真實驗、綜合課程設計和各類競賽項目的統一內容規劃和銜接，構建了一套能滿足電氣控制與PLC 實踐教學需要的多層次實踐教學平臺。經近幾年的實踐證明，學生的實踐教學興趣、工程素養和工程設計能力大大提高，畢業生也受到用人單位的好評。

1 實踐教學與大學生綜合能力培養

高校對學生綜合能力培養中，實驗室是最主要的實踐教學場所，對學生保持開放已經成為我國高校實驗室發展的必然趨勢［10-16］。以學校實驗室為基礎、各類學科競賽為依托、教學自學相結合為手段，構建多層次實踐教學平臺，在培養學生綜合能力的同時，也在一定程度上促進實驗室進一步發展。

實踐教學和理論教學的不同點在于，理論教學更加偏向于個人研究，而實踐教學更加注重團隊合作。在以學科競賽為依托的實踐教學中，學生會面對一個綜合性強、系統復雜、應用性強的問題。因此，學生需要將個人研究和團隊合作相結合，在以個人為單位學習到基礎知識后，再以團隊合作的形式共同解決復雜問題。學生在合作中進一步拓寬知識層面，提高團隊協作能力。

電氣控制與PLC 包括傳統的電控系統和面向工業自動化的PLC 控制系統，前者是后者學習的基礎。該課程涉及繼電器接觸器控制系統、PLC 邏輯控制系統、PLC運動控制系統、PLC 過程控制系統等，其實踐教學效果對培養學生解決實際工程問題的能力尤為重要。因此，需要對基礎實驗、虛擬仿真實驗、課程設計和學科競賽進行統一規劃、分步實施，培養大學生綜合工程設計能力。

2 多層次實踐教學平臺構建

在實驗室建設中，實驗室以比賽項目為依托搭建多層次實踐教學硬件實驗平臺，如圖1 所示。

平臺分為3 個層次。

（1）實驗箱基礎教學平臺。實驗箱中控制器采用西門子PLC S7-300，配合實驗箱面板可實現理論教學中的基本實驗。

（2）虛擬仿真教學平臺。此平臺是以PLC S7-1200 為控制核心的電梯運行仿真平臺，通信方式有兩種，①泗博PM125為設備基礎的PROFIBUS DP通信方式，②以太網通信方式。形成一套以PC 機為監控對象，PLC為控制中心，EET電梯仿真為被控對象的編程仿真教學平臺。

圖1 多層次實踐教學平臺

（3）綜合課程設計及學科競賽教學平臺。此平臺主要包括運動控制和工業網絡兩個方向。其中運動控制平臺是以PLC S7-300 和變頻器S120 為核心，通過兩個電動機協作控制保證卷繞傳送帶恒速恒壓。工業信息網絡實驗平臺以安全模塊S615 和路由器XM408為核心，通過網絡架構設計保證工業網絡中信息傳遞的穩定性、正確性和安全性。

多層次實踐教學平臺激發了學生動手實踐的積極性，鍛煉和提高了學生的個人能力，同時也豐富了理論教學內容。在電氣控制與PLC 的傳統理論教學中，老師主要根據教材講解其應用背景、基本原理和簡單控制策略，缺少綜合項目的實際應用。多層次實踐教學平臺的建立幫助老師在完成基礎知識講解后，結合平臺中對應的實際項目進行實踐講解，理論與實踐相輔相成。

3 多層次實踐教學體系的實施

3.1 以運動控制為例

綜合性問題的解決是循序漸進的過程，因此在多層次實踐教學體系中將整個過程分為3 個階段，下面以運動控制教學為例進行介紹。

（1）基礎編程教學，利用實驗箱基礎教學平臺。平臺中控制器為西門子PLC系列中的S7-300，可以在PC機中使用TIA 博途上位機軟件進行編程。通過指導學生實現理論教學中的交通燈實驗及模擬電動機正反轉實驗，對學生的基礎編程能力進行培訓，為后續解決復雜問題打下基礎。

（2）虛擬仿真教學，利用虛擬仿真教學平臺。綜合性問題的解決比較復雜，因此要先在虛擬仿真平臺上實現控制算法，證明其有效性后再應用于實物平臺。虛擬仿真教學平臺是將虛擬電梯系統作為被控對象，使用的PLC 為西門子S7-1200，可實現PROFIBUS DP和以太網兩種通信方式。不同通信方式在TIA博圖軟件中的編程方式不同，可進一步鍛煉學生在不同環境下的編程能力。通過PLC 實現編程控制的同時也需要上位機對虛擬電梯系統進行監控，本平臺使用與TIA博圖軟件兼容的Wincc 繪制上位機監控界面，實現對虛擬電梯系統的在線實時監控。除此之外，虛擬仿真教學平臺還可通過使用PLCSIM軟件對PLC進行仿真，在無硬件設備的情況下實現對控制算法的仿真。本平臺對學生的設備通信、程序編寫、監控畫面繪制和仿真實現能力進行鍛煉，提高了學生工程項目解決實際問題的能力。

（3）綜合設計及實現教學，利用運動控制平臺。

此階段分為設計解決方案、實際操作兩個步驟。設計解決方案要求學生以實際生產項目為背景，在對綜合性問題分析后進行設計，并將解決方案以論文的方式寫出工程文檔。指導老師對工程文檔審核通過后，學生方可進行實際操作。在實際操作中，學生將程序編寫完成并繪制出監控界面后，先通過PLCSIM 軟件進行仿真，仿真通過后選擇其中一種通信方式連接硬件進行實驗驗證，網絡結構如圖2 所示。圖中，PLC為控制器，PG／PC可對PLC進行程序編寫，并通過S120 驅動器控制運動控制平臺中電動機卷輥的運行。HMI為觸屏監控設備，監控畫面在軟件中繪制完成后可以燒寫入HMI，對平臺中的數據進行實時監控，監控畫面如圖3 所示。設計工程文檔可以將學生的基礎知識融會貫通，實際操作能提高其動手能力和綜合能力。

圖2 運動控制網絡結構

3.2 賽項培訓及選拔

圖3 數據監控界面

“西門子杯”中國智能制造挑戰賽和“臺達杯”高校自動化設計大賽作為教育部高校自動化類專業教學指導委員會主辦的兩個重要賽項，其選題與本實驗室所研究的電氣控制和PLC 相關性極強，因此選擇這兩項比賽作為構建多層次實踐教學平臺的依托。“西門子杯”中國智能制造挑戰賽重點關注制造業在自動化、智能化過程中所遇到的實際問題，培養學生的問題解決能力和實踐動手能力。“臺達杯”高校自動化設計大賽重點關注當前自動化行業中的熱點與痛點，著重培養學生的創新能力。

參賽隊員在進入實驗室時并不會局限于固定的比賽賽項進行學習，而是首先進行全賽項的了解，并根據學生的個人興趣進行自主學習。針對不同賽項選出往屆取得優異成績的學生作為賽項培訓人，參賽學生在自主學習中遇到困難時可以向各賽項培訓人進行咨詢。在培訓過程中，針對比賽的選拔也會同步進行，校內的選拔主要分為3 個階段。

（1）個人賽。新一屆參賽學生剛進入實驗室時，上一屆比賽剛結束不久，新進入實驗室的學生以熟悉設備和比賽賽項為主，這一階段主要為淘汰一部分臨時起意的人，因此以個人為單位進行選拔。培訓主要有兩部分，①指導老師和往屆參賽學生進行賽項簡介和比賽心得分享；②定期由賽項負責人組織小組會議，對上一階段學習遇到的問題進行統一解答，并為下一階段學習提出要求。培訓一到兩個月后分不同賽項進行統一選拔，選拔出具有知識儲備，并能解決綜合項目的同學。

（2）團隊賽。經過首輪選拔后，在同一賽項內根據學生的個人意愿進行3 人組隊，此時新一屆比賽的賽題還未公布，因此使用往屆兩年的賽題作為選拔題目。該階段的培訓主要是指導老師對各個隊伍進行輔導，指導學生制定工程文檔，并針對不同賽項提出相關的控制策略，為學生提供解決問題的方向。這一階段的培訓持續到新一屆比賽報名前，并以團隊為單位進行選拔，題目為往年真題，選拔出已經制定好工程文檔并實現，具有參賽能力的隊伍，每個賽項的隊伍數量原則上不超過3 個。

（3）挑戰賽。此階段從比賽報名開始持續到報名結束前，選拔題目為新一屆比賽樣題，主要是給之前已經淘汰的學生參賽機會，并進一步激發已獲得參賽資格隊伍的積極性。之前選拔中被淘汰的學生可以自由組隊，并針對本屆比賽的樣題進行攻關，若在報名結束前能全方位超越其中1 個已具備參賽資格的隊伍，就可將其取代，代表學校參加省賽。

4 多層次實踐教學平臺取得的成績

4.1 各項比賽取得的成果

自學校開始參加“西門子杯”中國智能制造挑戰賽和“臺達杯”高校自動化設計大賽這兩項賽事以來，學生在多層次實踐教學平臺的培訓下已經取得很多成績。

“西門子杯”中國智能制造挑戰賽，華中賽區特等獎、一等獎、二等獎、三等獎均斬獲多項。國家級獎項中，工業信息組獲全國特等獎、二等獎各1 項，邏輯組獲全國二等獎2 項，運控組獲全國二等獎2 項。“臺達杯”高校自動化設計大賽獲二等獎1 項，三等獎1 項。

4.2 學生綜合能力的提升

通過實踐教學平臺，學生的綜合能力得到很大提升，主要體現在兩個方面。①復雜問題的解決能力，多數學生在大學階段能接觸學習到很多理論知識，但并沒有太多機會把理論與實踐相結合，將比賽題目作為綜合性項目，學生在解決問題的同時掌握自主研發的基本方法，從而積累了一定的項目經驗，為未來成為一個優秀的工程師打下基礎。②團隊協作能力，在實踐教學中學生3 人1 組，雖然隊伍中每個人承擔不同職責，但是當其中一人遇到問題時，需要隊伍內的所有成員共同協作解決，從而提高學生的團隊協作能力，為未來工作進行鋪墊。

5 結語

以“西門子杯”中國智能制造挑戰賽和“臺達杯”高校自動化設計大賽為依托，探索并構建電氣控制與PLC多層次實踐教學平臺。在此基礎上形成一套合理的實踐教學體系，不僅提高了學生的理論知識應用能力，更是提升了學生的綜合能力。學生在參加比賽獲得成果的同時，也重新回歸實驗室培養新隊員，促進實驗室建設的不斷發展。