基于工業軟件的“PLC原理及應用”線上實驗教學實踐

趙 洋，胡亞偉

（東莞理工學院 電子工程與智能化學院，廣東 東莞 523808）

2020年初突如其來的新型冠狀肺炎疫情在全國擴散，對國家和整個社會的各項事業造成了嚴重影響。2020年2月4日教育部印發了《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》，要求全國高校在疫情防控期間積極主動開展線上教學，實現“停課不停教、停課不停學”[1-2]，我校于2020年3月2日正式開始網上教學。

“PLC原理及應用”是面向我校自動化、電氣工程及其自動化、智能制造、機器人和電子信息工程等專業開設的一門專業課程。本學期共計有4個專業3個教學班級需要進行該課程的線上教學。該課程傳統的線下教學方法主要包括課堂理論教學和在實驗室硬件平臺上的實操實驗兩部分。

PLC控制技術是繼傳統繼電器控制之后發展起來的一種新型控制技術，在工業自動化控制領域具有廣泛應用[3]。為確保學生能夠通過本門課程的學習，熟練掌握PLC軟硬件組態、系統調試和故障分析與解決等工程實踐知識，本課程特別重視實驗環節的教學，在學時分配上理論教學和實驗教學各占一半，凸顯了實驗教學的重要性。但當教學模式從線下轉變為線上時，實驗教學的模式和方法就必須在進行深入分析和探討的基礎上，進行相應的改革，以此來保證教學效果不受影響。

1 “PLC原理及應用”實驗教學改革背景

PLC是一款面向工業應用的控制器，可以為邏輯控制、過程控制和順序控制等應用場景提供完美的解決方案，并可依托其強大的數據處理和通信能力，構建基于現場總線和工業以太網的分布式控制系統[4-5]。本門課程的教學需要著重強調工程應用背景，并輔以實際應用案例來進行。在實驗教學過程中，為了保證教學效果，需要仔細研究數量繁多的實際案例，并精心設計一些具備共性功能且難度逐漸遞增的實驗內容。當受不可控因素影響，迫使傳統實驗教學從線下轉到線上時，應該怎樣針對實驗環節進行合理設計就成為本門課程所必須面對的問題。基于筆者連續多年對本課程實驗教學模式及教學效果的深入分析，并結合對本課程自身特點的全面考量，認為由傳統線下實驗教學向線上實驗教學轉變具有可行性，且很有意義。

首先，隨著網絡通信和數字化技術的不斷發展，線上教學已越來越多地被國內外大學所接受[6]。其突出優點不僅在于打破了傳統實體課堂的限制，使教學本身不再受空間的約束，同時還可以突破時間的限制，使學生能夠在非固定時間根據自身的實際情況進行學習，從而使學習本身更加具有自主性[7]。但是由于缺少了類似傳統課堂上教師對學生課上表現的直接管理，教師對學生在線上學習的效果難以在較短的時間內進行準確把握。因此，特別是對于實操教學環節，必須對課程難度進行合理設置，讓學生對知識的接受過程可以由易到難逐漸深入。同時，還需要建立線上教學過程實時反饋通道，從而及時回應學生在實驗過程中可能遇到的各種疑問，做到有問題及時解決，不遺留問題。

第二，本課程傳統線下實驗的基本模式是教師基于實驗平臺的具體硬件條件，設計能在該平臺上完成的實驗內容，學生拿到實驗指導書后，按照實驗要求在平臺上完成實驗內容并編寫實驗報告。該模式的優點是實驗內容較為具體，學生可以在課上時間根據教師的實驗指導完成實驗內容，同時實物實驗可以讓學生對實驗設備和應用場景有比較直觀的認識。但是該模式的缺點也是顯而易見的：①受限于實驗平臺的硬件條件，所能開展的實驗內容比較有限，若想對實驗內容進行擴充，則需要通過增加經費投入對硬件設備進行擴展和更新；②在較為固定的實驗內容和實驗流程的約束下，學生的主觀能動性不能充分激發，學生對于實驗的理解往往處在較為粗淺的階段[8]。但是如果采用線上實驗教學模式，就能通過選擇合適的實驗工具和方法來對線下教學模式揚長避短，進而增強實踐教學環節對學生實操能力培養的作用。

第三，實驗教學的主要目標是讓學生提升動手能力，克服眼高手低問題[9]。“PLC原理及應用”課程具有極強的工程背景，對學生實際操作能力的培養是本課程教學效果的重要評價指標。本課程的理論教學側重于對基本概念和基本指令使用方法的講解，但本質上是要使學生能夠基于實際問題通過編程來實現具體的控制任務。雖然PLC本身是一個硬件設備，但學生主要需要提升的卻是分析問題并采用軟件編程解決問題的能力。因此，本課程實驗內容的重點應是組態開發軟件的熟練使用、對各種經典梯形圖程序的深入理解及對復雜控制任務的編程實現，即本門課程的實驗教學應該以硬件的熟悉為輔，以軟件的使用為主。可以看出，本課程的特點決定了其實驗教學由線下轉為線上時具有明顯優勢，其中，對于硬件的認識和了解完全可以借助于各種多媒體工具實現，而關于軟件的使用則可以在合理選定實驗軟件工具后，完全不受硬件平臺的制約。

綜合以上分析可知，對傳統“PLC原理及應用”課程實驗教學模式進行線上教學模式改革，是客觀條件下不可逆轉的大趨勢，而該課程自身的特點又為這種改革和實踐提供了較好的基礎和驅動力。

2 基于工業軟件的實驗設計

PLC作為工業控制器，其應用于具體控制任務的開發過程有較為固定的流程，如圖1所示。

圖1 PLC項目開發流程及工具

由圖1可以看出，PLC開發過程中的大部分環節都離不開組態軟件的使用。除硬件設備選型外，實際系統在線運行調試也要對應具體的硬件對象來完成。但是，硬件設備選型環節本身不在本課程實驗教學范圍之內，系統在線調試也完全可以用仿真軟件來代替真實硬件設備。因此，單純從實驗教學角度而言，本課程線上實驗的開展僅需組態軟件和仿真軟件相配合即可。

2.1 TIA+PLCSIM線上實驗解決方案

PLC屬于工業產品，不同的生產廠商在推出自己的PLC時，也會同時推出適用于自身產品的配套工業軟件。因此，實驗教學所選用的軟件需要與理論教學所講授的具體機型相配合。我校開設此課程時，相關任課教師通過調研討論確定選擇了西門子小型整體式PLC即S7-1200，作為本課程的教學機型。S7-1200PLC控制器是西門子面向中小型工業應用場景推出的一款產品，具有結構緊湊、功能齊全、可擴展性強和可實現高精度自動化控制任務等特點[10]，是PLC入門學習的首選產品。

西門子公司針對其包括 S7-1200PLC在內的多款PLC和其他自動化工業產品配套推出了博圖組態開發軟件，即TIA Portal。基于該軟件平臺，用戶可以實現對 PLC等設備的軟硬件組態和調試。為方便對 PLC進行虛擬仿真調試，西門子公司專門推出了 PLCSIM仿真軟件。基于該軟件，可以實現在沒有實際硬件設備的情況下，與TIA軟件進行數據互聯，并應用TIA所提供的調試工具對PLC進行仿真調試。基于該軟件的仿真調試結果可以直接切換到真實的PLC上運行[10-11]。因此，本課程的線上實驗教學完全可以借助這兩個軟件來實現和完成。

2.2 線上實驗設計

本課程線上實驗首先要求學生熟練掌握所選定的兩款軟件的基本操作。在此基礎上，設計一些與實際工業現場控制案例相關的實驗內容，以幫助學生提升分析和解決實際問題的能力。本課程在選擇和設計具體實驗內容時應主要考慮以下幾方面要求。

（1）工業軟件相對于學生而言較為陌生，學生普遍感覺上手比較困難。為降低學生的學習難度，減少他們學習過程的受挫感，需要對基本的軟件操作錄制視頻，作為學生學習的參考資料。

（2）實驗難度設計要合理，要讓學生由易到難地逐步熟悉和掌握PLC相關開發軟件的使用，以及應用PLC控制器解決給定的控制任務。此外，還需增加實時交流互動環節，以便及時解決學生在實驗過程中遇到的各種問題。

（3）實驗內容在可以完全覆蓋本課程所必須掌握的知識點的基礎上，應具有一定的開放性和可擴展性，以此來調動學生的學習熱情。即除必須的實驗內容之外，學生還可以根據自己對問題的理解，對控制功能進行進一步的添加和完善。

根據以上要求，再通過深入的分析和研討，筆者最終確定的實驗內容如表1所示。本課程包括10個實驗，共計20學時，其中8個實驗（每個實驗2學時）側重于基礎能力的訓練，屬于驗證性實驗；1個實驗（4學時）為綜合性的開放題目，作為提升訓練；1個演示視頻，不占學時。

表1 PLC課程線上實驗內容

2.3 仿真實驗案例分析

以表1中的實驗“自鎖邏輯控制的實現”為例，對基于 TIA+PLCSIM 工業軟件進行的線上實驗操作流程進行說明如下。

本實驗的主要內容是，設計一個對LED燈的開關控制，當按下啟動按鈕（數字量輸入）時，LED燈（數字量輸出）保持常亮，當按下停止按鈕時（數字量輸入），LED燈滅。當該實驗在實物平臺上進行時，需要用到TIA開發軟件及包括按鈕、燈和連接導線等在內的硬件。現在我們對該實驗進行仿真，硬件組態和控制程序設計仍用TIA來完成，且仿真實驗的硬件組態和控制程序設計與實物實驗的對應內容完全相同。區別僅在于系統調試部分由PLCSIM進行仿真，即開關的接通和斷開操作及對應的燈的亮和滅，是在PLCSIM 軟件上進行模擬和觀察的。本仿真實驗的操作流程如圖2所示。

圖2 仿真實驗操作流程

本案例的線上仿真實驗截圖如圖3所示。圖中上半部分為 TIA中 PLC編程和調試界面，下半部分為PLCSIM中對數字量的仿真和觀察界面。

由圖 3所呈現的仿真實驗結果可以看出，借助TIA和PLCSIM兩款軟件完全可以將實物平臺實驗轉移到線上進行。并且由于仿真實驗的調試結果與實物實驗完全相同，當線下實驗平臺開放時，學生可以直接移植到實物平臺上進行再次驗證。

圖3 仿真實驗截圖

3 線上實驗教學實踐總結

本課程因受疫情影響被動地由線下教學轉為線上進行，似乎是一種不得已而為之的事情。但也應該看到，這其實也為本課程的教學改革提供了契機。傳統線下實驗雖然在直觀性方面具有不可比擬的優勢，但其短板也很明顯，對學生動手能力和創造能力的培養存在劣勢[12]。當實驗場景由真實環境轉向虛擬環境時，學生可充分利用先進的軟件開發工具，以現代自動化領域中最重要的人機交互模式來完成實驗任務。

3.1 線上實驗教學的特色

（1）實驗手段的新穎性。這種基于工業軟件的仿真實驗教學模式給本課程的學習者帶來了一種新的實驗體驗，在盡最大可能模擬硬件實物操作方式的同時，保證了實驗教學效果不打折，并激發了學生的求知欲望和參與熱情。

（2）實驗設計的合理性。經仔細設計的本課程線上實驗內容，確保了難度進階與學生的接受過程相一致，有助于學生逐步掌握本課程的知識點，不斷打磨和提高動手能力。

（3）教學素材的重復使用性。以教學視頻形式呈現軟件使用的基本操作，能夠使學生在任何有需要的時候觀看、學習和復習，從而幫助學生更好地掌握相關知識。

3.2 線上實驗教學實施效果

本學期本課程首次引入線上實驗教學法后，已針對我校2018級的3個教學班開展教學實踐。截至目前，學生已完成表1中所列的前8個實驗。根據學生實驗報告的反饋結果和線上實時交流互動的情況來看，學生對線上教學模式普遍比較接受，在熟悉相關軟件的使用后能夠在完成實驗基本要求的同時，提出自己對問題的獨到見解，并完成對控制程序的改進和仿真調試，達到了本課程的教學目標要求。

4 結語

基于工業仿真軟件的“PLC原理及應用”課程實驗教學改革，是在受不可抗拒因素影響和互聯網教學日趨發展的大背景下，在任課教師對本課程原線下實驗內容、線下教學和線上教學差異和各自特點以及PLC控制器自身的工程應用屬性等諸多因素進行深入分析調研之后，開始設計并實施的。通過對實驗教學方法、實驗工具和實驗內容設計等方面的改革進行探索和實踐，本課程的線上教學取得了很好的效果。學生經過多個實驗的實踐后，分析解決實際問題和實操相關工業軟件的能力顯著提升，極大地提高了學習主動性和學習熱情。這也為本課程今后繼續開展全線上教學或線上線下相結合的教學實踐打下堅實基礎。