新工科背景下《可編程控制器原理》課程教學(xué)研究

田麗欣

（唐山學(xué)院 河北 唐山 063000）

1 引言

在我國工科高等院校中，《可編程控制器原理》是一門實(shí)用性很強(qiáng)的核心專業(yè)課程，也是一門能力型課程，其包含知識(shí)面廣，課程應(yīng)用性、實(shí)踐性強(qiáng)，可以提高學(xué)生的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。尤其隨著“中國制造2025”的提出和智能制造的來臨，可編程控制器(PLC)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線和工業(yè)機(jī)器人等的控制中，在自動(dòng)化領(lǐng)域的重要性日益凸顯，企業(yè)對相關(guān)技術(shù)人才的需求量增大，很多企業(yè)在對自動(dòng)化人才的招聘中，都將掌握PLC技術(shù)作為招聘要求之一，因此學(xué)生對該技術(shù)的掌握至關(guān)重要。

在新工科背景下，如果仍采用以理論教學(xué)為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式，脫離或較少與工程應(yīng)用實(shí)際聯(lián)系，對學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)很難落實(shí)。因此，本文針對《可編程控制器原理》的傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行了改革，建立項(xiàng)目式教學(xué)法，以工程項(xiàng)目為主體，將枯燥的理論學(xué)習(xí)融于特定的項(xiàng)目情境中，可以豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而可以真正地提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

2 項(xiàng)目式課程教學(xué)設(shè)計(jì)思想

在傳統(tǒng)教學(xué)中，采用以教師、教材、課堂為中心的教學(xué)模式，按照教學(xué)大綱的要求，以課堂理論教學(xué)為主，割裂了知識(shí)間的有機(jī)聯(lián)系，學(xué)生的知識(shí)遷移和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足，且脫離實(shí)際工程應(yīng)用背景，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，對綜合應(yīng)用能力鍛煉不足。

針對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)企業(yè)對應(yīng)用型技術(shù)人才的能力要求，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，進(jìn)行以工程應(yīng)用為背景、以成果為導(dǎo)向、以能力培養(yǎng)為主線的項(xiàng)目式課程教學(xué)設(shè)計(jì)。在教學(xué)設(shè)計(jì)中以《可編程控制器原理》課程為核心，采用項(xiàng)目法與本專業(yè)其他相關(guān)課程如《電機(jī)》 《工廠電氣控制》 《變頻技術(shù)與應(yīng)用》 《檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》 《自動(dòng)控制原理》等建立課程間內(nèi)容的有機(jī)聯(lián)系，通過考查、調(diào)研等方式，結(jié)合目前在科技生產(chǎn)中的典型應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，整套項(xiàng)目設(shè)計(jì)的好壞是課程教學(xué)改革的關(guān)鍵。

采用項(xiàng)目法對知識(shí)進(jìn)行引出和梳理，避免了單純理論知識(shí)講解的枯燥乏味，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更容易理解和掌握知識(shí)。實(shí)施過程以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)對工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)施，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目式教學(xué)法的關(guān)鍵是選擇并設(shè)計(jì)好項(xiàng)目。所設(shè)計(jì)項(xiàng)目既要符合專業(yè)領(lǐng)域范疇，又能有效地將課程理論知識(shí)融于其中，并綜合本學(xué)科各門課程知識(shí)，達(dá)到融會(huì)貫通的目的。筆者根據(jù)該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求，并結(jié)合目前工業(yè)領(lǐng)域?qū)LC技術(shù)的應(yīng)用需求，對教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行了設(shè)計(jì)，涵蓋了PLC常用控制技術(shù)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)遵循由簡單到復(fù)雜、層層遞進(jìn)的原則，將理論知識(shí)與實(shí)踐操作融為一體。通過項(xiàng)目式教學(xué)過程，既能讓學(xué)生掌握PLC的基本概念，掌握PLC常用編程指令和編程方法，又能了解和熟悉工業(yè)控制過程。基礎(chǔ)項(xiàng)目設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中，項(xiàng)目一：工作臺(tái)自由往返運(yùn)動(dòng)控制，這是學(xué)習(xí)PLC原理的入門基礎(chǔ)，是指通過PLC和行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及自由換向。通過該項(xiàng)目使學(xué)生掌握PLC控制與《工廠電氣控制》課程中繼電器控制的區(qū)別和聯(lián)系，掌握PLC硬件接線設(shè)計(jì)以及基本I/O指令的應(yīng)用。項(xiàng)目二：生產(chǎn)線多級傳送帶的順序啟動(dòng)控制和逆序停止控制，掌握定時(shí)器指令的工作原理和編程應(yīng)用。項(xiàng)目三：生產(chǎn)線上產(chǎn)品自動(dòng)裝箱打包控制，使學(xué)生掌握對計(jì)數(shù)器指令的編程及應(yīng)用。項(xiàng)目四：搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制，使學(xué)生掌握用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的方法。項(xiàng)目五：溫度PID控制，使學(xué)生掌握PLC對模擬量輸入讀取和處理的方法，以及如何通過PID控制指令實(shí)現(xiàn)溫度控制。該項(xiàng)目涉及檢測技術(shù)、自動(dòng)控制原理等多門課程知識(shí)的綜合應(yīng)用。項(xiàng)目六：恒壓供水系統(tǒng)控制，使學(xué)生掌握如何利用PLC控制變頻器，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速，該項(xiàng)目是對檢測技術(shù)、變頻器、電機(jī)等多門課程知識(shí)的綜合應(yīng)用。項(xiàng)目七：碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過該項(xiàng)目使學(xué)生掌握運(yùn)用PLC高速脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對碼垛機(jī)各自由度步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)物料的抓取和堆垛，同時(shí)該項(xiàng)目還能鍛煉學(xué)生對復(fù)雜邏輯的編程和調(diào)試能力。

通過以上項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生不僅能掌握PLC常用控制技術(shù)，也能熟悉PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，并將相關(guān)專業(yè)課程知識(shí)構(gòu)成一個(gè)完整的體系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域，以PLC作為控制器對機(jī)床和機(jī)器人的控制為主流方向之一，筆者又設(shè)計(jì)了“定長切割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”、“平板切割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”和“多軸聯(lián)動(dòng)切割機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)”三個(gè)綜合性項(xiàng)目。其中“定長切割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”以PLC為控制中心，實(shí)現(xiàn)對定長步進(jìn)電機(jī)和帶鋸三相交流電機(jī)的控制?！捌桨迩懈顧C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)對平面X軸和Y軸兩軸的聯(lián)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)切割三角形、圓形、四邊形等平面圖形?！岸噍S聯(lián)動(dòng)切割機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)”涉及到對機(jī)器人多個(gè)自由度伺服電機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制。項(xiàng)目綜合了上位機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)和下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)，下位機(jī)以PLC為核心實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和多軸的聯(lián)動(dòng)控制，上位機(jī)利用組態(tài)軟件開發(fā)了生動(dòng)形象、交互性強(qiáng)的人機(jī)界面。三個(gè)項(xiàng)目以PLC在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用為主，由淺入深，使學(xué)生更進(jìn)一步了解了PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，為將來從事相關(guān)行業(yè)打下一定基礎(chǔ)。

4 項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)施過程

項(xiàng)目式教學(xué)，將基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)融于實(shí)際工程項(xiàng)目任務(wù)的解決過程中。每一個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)包括任務(wù)提出、任務(wù)分析、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)及調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和運(yùn)行五步，以此為主線展開教學(xué)。在教學(xué)過程中由教師提出設(shè)計(jì)任務(wù)，結(jié)合多媒體動(dòng)畫演示分析工藝過程，并引導(dǎo)學(xué)生思考任務(wù)實(shí)現(xiàn)需涉及的理論知識(shí)點(diǎn)，再由教師進(jìn)行梳理和講解；之后由學(xué)生以小組討論的形式完成控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括PLC的I/O分配、電氣原理圖的繪制以及程序設(shè)計(jì)構(gòu)思，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生思維，以完成整個(gè)項(xiàng)目任務(wù)；最后由教師引導(dǎo)，以組間討論的形式針對每組項(xiàng)目實(shí)施中出現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)。項(xiàng)目實(shí)施過程中通過組態(tài)軟件和PLC結(jié)合進(jìn)行項(xiàng)目演示，以使學(xué)生能直觀地了解項(xiàng)目的整個(gè)運(yùn)行過程，克服因教學(xué)條件有限造成的課程內(nèi)容枯燥乏味。

圖2為進(jìn)入基礎(chǔ)項(xiàng)目管理系統(tǒng)后運(yùn)料小車控制的組態(tài)畫面，可通過該組態(tài)畫面來輸入控制命令，觀察運(yùn)行狀態(tài)以進(jìn)行程序調(diào)試。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)項(xiàng)目可以脫離現(xiàn)場設(shè)備通過組態(tài)畫面的形式反映現(xiàn)場運(yùn)行情況，克服了缺乏現(xiàn)場硬件資源造成演示結(jié)果抽象不具體的問題。綜合性項(xiàng)目“定長切割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”和“多軸聯(lián)動(dòng)切割機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)”要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控畫面，根據(jù)所學(xué)課程由學(xué)生自行選擇組態(tài)軟件或虛擬儀器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的設(shè)計(jì)。

5 實(shí)施效果

通過采用項(xiàng)目教學(xué)法對PLC課程進(jìn)行改革，項(xiàng)目設(shè)計(jì)以工程應(yīng)用為背景，以成果為導(dǎo)向，堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合。設(shè)計(jì)的項(xiàng)目與工業(yè)控制緊密結(jié)合，由淺入深，囊括了PLC控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并融合了專業(yè)領(lǐng)域多門相關(guān)課程知識(shí)，建立了專業(yè)知識(shí)體系。項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施既拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，又提高了學(xué)生的綜合技能，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為新工科背景下人才的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。