基于工程實踐能力培養的PLC實訓體系研究
——以黎明職業大學為例

吳文廷

PLC控制技術作為工業控制領域的三大技術支柱之一［1]，占據自動化控制領域的重要地位［2]，其相關課程是高職院校電類專業中的核心課程.在“PLC”課程改革建設中遵循“以服務為宗旨，以就業為導向”［3]，把培養相關專業學生的PLC技術、技能，滿足企業對具有工程實踐能力的人才需求作為課程的教改目標.而“PLC”是一門實踐性、工程性很強的課程，實訓課時占到50%以上，因此，能否把“PLC”課程改革好、建設好，關鍵在于PLC的實訓體系的完善.

已有的PLC實訓體系多數是用來驗證課程里的指令、功能等一些簡單的實踐活動，難以適應新時代高職職業教育的需求.為了能夠適應當前社會經濟發展對創新創業的需求和企業對高校培養的PLC控制技術應用人才無縫對接的需求［4]，需要基于工程實踐能力研究，重新構建PLC實訓體系.

1 PLC實訓體系存在的問題

1.1 PLC實訓體系與企業實際應用存在差異

目前的PLC實訓體系實訓室的配電及其硬件設施與企業存在著差異，實訓項目與企業的PLC技術應用及其技能要求存在著脫節的現象，實訓過程與企業的工作生產工藝流程不一致，這些差異導致現有的PLC教學過程多以基礎性、驗證性實驗為主，缺乏對學生創新意識、實際動手的工程實踐能力的培養，造成學生的工程實踐能力不強，畢業后很難直接將在校學到的技術技能應用到工作中.

1.2 校企合作實施過程中存在一定的困難

為了能讓學校培養的人才滿足企業的需求，很多高職院校希望與企業合作共建PLC實訓體系，以“工學合作”培養模式培養學生的工程實踐能力.但在這一合作、運行過程中存在著“校熱企冷”的現象，學生到企業去生產實踐經常是做一些簡單的操作，技術技能含量低，很難實現對某一具體工程項目進行完整性的生產實踐活動，達不到技術技能培養目標.另外，學校與合作企業之間的距離往往比較遠，學生疲于來回奔波，學校來回接送學生的運行成本也比較高，校企兩地的教學與學生的管理也存在一定困難.

2 構建具有工程實踐能力培養的PLC實訓體系

針對PLC實訓體系存在的問題，教學團隊深入企業生產一線調查研究，獲取企業典型PLC控制工程項目的相關資料，立足于校內資源，依據企業的真實生產情境建設實訓室，如實訓室的硬件設備、布局、配電等，使實訓室既符合企業車間的生產實訓條件，又能保證理實一體化教學實踐活動的開展，基于實訓室的生產實訓條件，依據企業典型PLC控制工程項目，開發實訓項目，按企業的生產工藝流程來組織實踐教學活動，構建基于校內實訓資源培養學生的技術技能與工程實踐能力，符合黎明職業大學智能制造專業群的職業能力的培養目標——培養學生成為具有扎實的工程實踐基礎、較強的可持續發展能力的技術技能型人才［5].

2.1 企業典型PLC控制工程項目調查

為了了解PLC控制技術在企業工程中的典型應用，PLC建設團隊深入企業進行調查、研究，歸納總結出PLC技術在企業工程中主要技術應用示意圖（圖1），并依據調研結果制作出企業自動化控制系統中主要涉及PLC技術應用的系統框圖（圖2），作為構建PLC工程實踐能力實訓體系的依據.

圖1 PLC技術在企業工程中的主要應用示意圖

圖2 PLC控制技術工程應用系統框圖

PLC控制系統主要由人機界面（HMI）、PLC、通訊、輸入、輸出等構成.其中HMI負責提供可視化界面，提高系統操作性［6]；PLC是控制系統的核心；通訊負責溝通各種設備和網絡，提高系統擴展性；輸入負責接收各種傳感器數據和信號，提供邏輯依據；輸出負責輸入各種電信號給對應的執行設備，執行設備按接收到的電信號有序執行［7].

HMI一般有觸屏和PC兩種，少數情況直接使用按鈕信號柜.PLC的輸入信號分為無源信號和有源信號，無源信號主要是按鈕、開關等機械觸點；有源信號主要是金屬接近開關、鉑電阻、旋轉編碼器等光電傳感器.PLC的輸出信號通常是數字信號和模擬信號，常用的PLC輸出控制對象有三相異步電動機、變頻器、步進電機、伺服電機、指示燈、繼電器、接觸器、電磁閥、指示燈、加熱器等.通訊主要分為本地通訊和網絡通訊兩部分，其中，本地通訊指上述各種信號和數據傳輸，網絡通訊主要指基于物聯網的遠程控制.

2.2 PLC實訓體系硬件設施設計

2.2.1 實訓室常用設備、器材等的配備

依據企業生產車間的生產操作需求配置設備、器件、工具、耗材、勞保用品等，確定學生的生產實踐活動能夠安全、順利地開展.

如表1所示的是實訓室配備的PLC控制系統常用設備一覽表，包括：PLC、觸摸屏、變頻器、三相異步電動機、伺服電機及驅動器、步進電機及驅動器、雙速異步電動機等.

表1 實訓室配備常用實訓設備一覽表

考慮到企業設備更新換代比較快，同時兼顧老舊設備并存的現象，PLC選用西門子兩款型號，一種是S7?200舊型號，該型號在企業中還大量存在，在舊機臺上廣泛應用；一種是目前西門子的主流產品S7?1200，企業新開發的機電產品、自動化生產線、智能控制系統中，一般選擇S7?1200系列產品.S7?200 CPU款PLC帶有兩路模擬量輸入、一路模擬量輸出，可以應用于溫度、流量等過程量的控制.S7?200 CPU224 XP DC/DC/DC和S7?1215C DC/DC/DC各有2路、3路高速脈沖輸出，均可用于伺服電機和步進電機的運動控制.

表2所示的是實訓室配置的電工工具一覽表，為學生的生產實踐提供較為完備的電工檢測與施工工具.

表2 實訓室常備電工工具一覽表

表3所示的是實訓室配置的器件、耗材一覽表，包含了電控柜常用的電器器件（空氣開關、熔斷器、接觸器、繼電器、熱繼電器、指示燈、按鈕等）、布線用的耗材（導軌、線槽、端子排、軟件導線、線鼻子、號碼管等）.

表3 實訓室常備器件、耗材一覽表

2.2.2 實訓室的布局規劃

基于理實一體化教學、仿照企業真實生產場景進行實訓室的規劃布局.

圖3所示的是PLC實訓室的布局示意圖.PLC實訓室長19.5 m，寬8.4 m，室內面積163.8 m2.左側配有12張2.0 m×1.0 m寬的大實訓桌，共24個工位，作為理論教學與實踐操作綜合區域；右側是參照企業電控柜安裝與調試的真實生產情境而布置的工程實踐操作區，12個工作面，每個工作面的面積為3.6 m2，配有電控柜、防電地毯、電腦桌、計算機和椅子；實訓室右邊設置有配電柜、空調和存儲柜，存儲柜用于存放勞保用品、電工工具及器件和耗材等實驗用品；實訓室內按消防要求配置了消防器材，為學生的生產實踐活動提供了一個安全、寬敞、舒適的實訓場所.

圖3 PLC實訓室布局示意圖

2.2.3 實訓室電氣配電設計

PLC實訓室的電氣配電遵循兩條原則：一是牢牢樹立安全第一的生產理念，確保學生在生產實踐過程中的人身安全；二是電控柜的配電與工廠企業一致，基于三相電構建真實的PLC小型控制系統工程的真實生產情境.如圖4所示的是PLC實訓室主要設備電氣配電圖.實訓室用電采用具有TN?S接零保護系統的三相五線制，即三相電源線L1、L2、L3，中性線（即零線）N和接地線PE，中性線N和接地線PE分開.12臺電控柜、3臺空調及12臺計算機分屬不同的電源線路，各獨立使用.12臺電控柜是學生實踐操作的重要設備，按工業生產的實際要求接入了三相電，在配電上采用總控、分配、電控柜的三級配電，逐級保護，實現“一柜、一閘、一漏、一鎖”的配電要求.圖中Q1為帶漏電保護的總開關，Q2、Q4……Q24為分配給12個電控柜的3P空氣開關，Q3、Q5……Q25為電控柜內帶漏電保護的空氣開關，Q26、Q27、Q28為空調供電線路空氣開關，Q29為計算機供電線路總空氣開關.為了能夠在學生生產實踐操作過程中提供多重安全保護，除了常規繼電保護外，在電控柜操作區域前鋪設了1.2 m×1.0 m的防電地毯，長度超過了電控柜的寬度，寬度超過了一手臂的長度.

圖4 PLC實訓室主要設備電氣配電圖

指導老師必須在學生動手操作前檢查各個電控柜里的空氣開關（Q3、Q5……Q25）是否有切斷，檢查總配電柜分配給12臺電控柜的空氣開關（Q2、Q4……Q24）是否切斷，若沒有，要逐個拉斷，學生電控柜操作實踐時必須穿電工鞋、電工服，并佩戴安全帽，牢牢樹立安全第一的生產理念.

2.3 實訓項目設計

依據企業自動化控制系統中主要涉及的PLC技術、職業能力的培養目標及其成長規律，設計了3個階段，共8個實踐項目［8]，8個實踐項目包含了PLC無源、有源信號輸入的接線與應用，指示燈、繼電器、電磁閥、變頻器、三相異步電動機、步進電機、伺服電機的控制，基本符合目前企業PLC控制系統主流技術技能的應用，詳細內容如表4所示.項目主要分為三個階段進行，第一階段主要培養PLC控制系統的安裝與布線能力，以基礎知識、基礎控制原理介紹為主，實訓內容主要是單一控制原理的具體應用；第二階段主要培養PLC控制系統的程序設計、調試與組態設計能力，以基礎編程指令、梯形圖、組態軟件的教學為主，實訓內容主要是程序簡單的程序邏輯控制應用；第三階段主要培養PLC控制系統整體設計能力，讓學員體驗企業工程現場，體驗工作流程為主，實訓內容主要是實現流水線、機械手等稍復雜裝置的整體控制.三個階段的實訓項目由淺入深，由簡到繁，由局部到系統地培養學生的PLC控制技術的應用實踐能力.

表4 PLC實訓項目計劃表

2.4 實踐教學過程設計與分析

教學過程是指師生在共同實現教學任務中的活動狀態變換及其時間流程［9?10].有良好的生產實踐場所和實訓項目但沒有良好、完整的教學過程，教學效果和學生習得的技術技能必將大打折扣.因此，為了更好地實現培養學生工程實踐能力的目標，還要配套相應的教學方法，促進學生保質、保量地完成實訓項目.圖5是依據企業的生產加工工藝流程設計的PLC項目實踐教學活動的流程圖.

圖5 PLC項目實踐教學活動流程圖

實踐教學過程主要分六部分：一是進行教學，將需要講解的內容進行集中講解，如“電動機正反轉繼電器控制系統改造為PLC控制系統”課程中，需要講解如何將繼電器控制系統改造成PLC控制系統的PLC程序設計方法，以及互鎖電路的構成和應用；二是對學生進行分組，課中將學生兩兩分組，組內自行討論、分工；三是布置實踐項目，小組分解實訓內容，分析需要用到的器件、工具和耗材等，并設計電氣原理圖和系統裝配圖；四是按設計好的電氣原理圖、系統裝配圖進行系統裝配；五是進行PLC程序設計和調試；六是對實訓內容進行總結和討論，撰寫項目實踐報告，并請指導老師進行考核評分.每次學生分組將保持兩次課程，兩次課程中學生分工對調，這樣既能保證學生對學習內容的全面掌握，也能使學生適應企業工程中不斷更換項目成員的實際情況，同時，為了保證學生安全，在步驟三、四、五完成后要分別請指導教師檢查，確認無誤后方可進行下一步.

黎明職業大學自從三年前逐步進行工程實踐能力培養的PLC實訓體系建設以來，教學效果有一定提高，如圖6所示的是近5年學生PLC期末平均成績折線圖.

圖6 2015年至2019年學生PLC期末平均成績折線圖

自2017年實行以培訓工程實踐能力的實訓體系以來，學生成績有一定提高，具體表現在新的實訓體系可以使學生更快地掌握PLC技術的基礎知識，更快地接受PLC控制的基本原理，更快地理解PLC應用項目的具體過程.首先，在剛開始的教學階段，主要是講述PLC技術的基礎知識，新實訓體系在一開始便進行實踐教學，與傳統先教學、后實踐相比，可以大幅度提升學生的學習興趣，提高學習積極性，從而在初始階段有較大的提高；其次，在實訓項目難度逐步提升的過程中，可以讓學生邊學習邊實踐，學習成果更加扎實；最后，在進行綜合實訓項目階段，由于前期相關知識和技能都已完備，實訓效果更加穩定，不易出現知識盲區.

3 結論

通過對實訓室、實訓項目和實踐教學過程進行基于工程實踐能力培養的改革，建立新的PLC實訓體系，可以有效提高現有PLC的教學質量，同時通過培養工程實踐能力的PLC實訓體系的實踐，學生的個人能力較以前也有大幅提高，具備更高的適應能力、工程實踐能力和創新能力.近三年來，黎明職業大學智能制造工程學院通過堅持建設培養工程實踐能力的PLC實訓體系，學生在參加全國和福建省職業院校（高職組）職業技能競賽“現代電氣控制系統安裝與調試”“制造單元智能化改造與集成技術”“工業機器人應用技術”“機電一體化”四個賽項過程中，都取得了優異的成績，共獲得國家級二等獎1項、三等獎3項，獲得福建省省級一等獎4項、二等獎4項、三等獎2項，這些沉甸甸的獎項就是對黎明職業大學智能制造工程學院基于工程實踐能力培養的PLC實訓體系建設成果的最好證明.