基于OBE 理念的PLC 仿真教學(xué)案例設(shè)計

申 康，李 熙，李慧馨，閆少明，何 維

（1.北部灣大學(xué) 機械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；2.北部灣大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，廣西 欽州 535011；3. 北部灣大學(xué) 海運學(xué)院，廣西 欽州 535011）

0 引言

“電氣控制及PLC 技術(shù)”是高校自動化類專業(yè)學(xué)生的必修核心課程。在新工科建設(shè)及應(yīng)用型高校轉(zhuǎn)型的背景下，現(xiàn)有課程教學(xué)模式與時代發(fā)展需求不符的問題日益凸顯[1]。實踐部分的教學(xué)大都是利用各大科教儀器廠商生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)PLC 實驗臺進行，學(xué)生下載相關(guān)程序及通過外部預(yù)留的端口接插線路的方式完成相關(guān)實驗。這種方式下學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，難以把握整體系統(tǒng)，更沒有培養(yǎng)各專業(yè)課程聯(lián)合應(yīng)用的實際工程能力。

成果導(dǎo)向教育（Outcome based education，OBE）理念是為迎接新工業(yè)革命的挑戰(zhàn)及工程教育的需求而衍生的教育改革理念，其核心內(nèi)容由目標(biāo)成果及達成的途徑或條件兩部分組成[2]。案例教學(xué)法以案例為基礎(chǔ)將理論與實踐相結(jié)合，涵蓋專業(yè)基礎(chǔ)知識和實際應(yīng)用需求，強調(diào)學(xué)生的積極參與，通過小組協(xié)作、階段答辯等方式增加學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間的互動和合作。

針對“電氣控制及PLC 技術(shù)”課程實踐教學(xué)中存在的不足，在我校自動化專業(yè)將基于OBE 教學(xué)理念的PLC 設(shè)計案例引入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，以達到掌握電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件編程能力，掌握組態(tài)軟件使用方法，能用組態(tài)軟件進行控制頁面設(shè)計和調(diào)試的基本能力。設(shè)計的教學(xué)案例視力保護監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了“電氣控制及PLC 技術(shù)”課程的主要知識內(nèi)容。該案例從教學(xué)目的與內(nèi)容，系統(tǒng)工作原理及流程，程序設(shè)計及下載，組態(tài)王與PLC 通訊，案例仿真調(diào)試分析，案例教學(xué)考核及評價等過程對OBE 理念下的案例教學(xué)進行了詳細(xì)的解析。學(xué)生通過完成案例教學(xué)過程的各階段實踐訓(xùn)練，來達到“電氣控制及PLC 技術(shù)”課程的預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。

1 教學(xué)案例目的與內(nèi)容

1.1 教學(xué)案例目的

西門子S7-200 PLC 適應(yīng)用于各種較小控制規(guī)模的系統(tǒng)中，能夠滿足不同環(huán)境下的監(jiān)測與檢測[3]。在教學(xué)目的方面滿足控制系統(tǒng)程序及組態(tài)設(shè)計，根據(jù)流程圖建立仿真頁面并編寫梯形圖，然后通過編寫I/O 分配表與模擬量輸入輸出設(shè)計對系統(tǒng)進行仿真的培養(yǎng)要求。OBE 教育理念貫穿案例教學(xué)設(shè)計和實施的全過程，使學(xué)生掌握PLC 程序設(shè)計方法、PLC 之間及PLC 與模塊間的通信方法，進而掌握PLC 設(shè)計一般電氣控制系統(tǒng)的方法、技能，提高解決實際問題的能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、求實、創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。

1.2 教學(xué)案例內(nèi)容

圍繞PLC 項目開發(fā)的綜合課程教學(xué)中所涉及的開關(guān)量邏輯控制、過程和運動控制、模擬量過程和集中控制、數(shù)據(jù)信息處理及控制、網(wǎng)絡(luò)通信及遠程控制、電機變頻控制等相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，設(shè)計相應(yīng)的PLC 仿真案例，引導(dǎo)學(xué)生以小組協(xié)作的形式進行文獻調(diào)研、完成仿真程序的設(shè)計調(diào)試、數(shù)據(jù)結(jié)果分析等工作，并采用小組討論答辯、教師點評驗收的方式對PLC 綜合設(shè)計內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況進行考核。

以PLC 的視力保護監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計為教學(xué)案例，通過設(shè)置程序?qū)庹諒姸纫约叭伺c書桌距離進行監(jiān)控，采用超聲波距離傳感器以及光照傳感器采集數(shù)據(jù)，同時設(shè)置距離開關(guān)進行監(jiān)測，調(diào)控人與書桌的距離，達到視力保護的目的。教學(xué)案例實驗根據(jù)整體的設(shè)計過程可以劃分為工作原理分析、程序設(shè)計及下載、組態(tài)王與PLC 通訊、仿真調(diào)試分析等幾個不同的階段性預(yù)期成果（outcomes），成果檢驗可依據(jù)不同階段的目標(biāo)完成度來評價。

2 案例教學(xué)的具體實施

根據(jù)以成果為導(dǎo)向的教育理念確立了案例教學(xué)的目的、內(nèi)容及考核框架后，如何在具體的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中實現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容，是教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)中的重要考慮因素，更是案例教學(xué)效果保障的重要基礎(chǔ)，下面以基于OBE 教育理念的視力保護監(jiān)控案例系統(tǒng)設(shè)計為例進行詳細(xì)分析。

2.1 案例工作原理及流程

（1）教學(xué)目標(biāo)

了解可編程控制器的定義、分類、功能、特點及發(fā)展應(yīng)用歷程；掌握可編程控制器的基本組成和工作原理。了解S7-200 PLC 系統(tǒng)的基本構(gòu)成、接口模塊和系統(tǒng)配置，學(xué)習(xí)使用PLC 進行系統(tǒng)開發(fā)，初步具備控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的能力。

（2）教學(xué)和實踐內(nèi)容

教學(xué)過程中學(xué)生要了解PLC 技術(shù)的功能特點：可靠性高、I/O 接口模塊多、結(jié)構(gòu)模塊化、編程簡單等，可以極大地提高生產(chǎn)效率。通過合理應(yīng)用PLC 技術(shù)，能在很大程度上減少自動化控制系統(tǒng)中常見的順序控制過程中的設(shè)備損耗，提高生產(chǎn)效率。

教學(xué)案例要求在研究視力保護的工作原理基礎(chǔ)上設(shè)計一套PLC 控制系統(tǒng)，其中涉及到的軟件為組態(tài)王Kingview 6.55，將個人電腦作為上位機運行組態(tài)王6.55 軟件，以PLC 作為控制器，通過程序控制設(shè)備的運行與啟停。這里涉及組態(tài)王軟件Kingview6.55 的相關(guān)知識點，其不僅可以實現(xiàn)監(jiān)控畫面和現(xiàn)場模擬動畫功能，還可以實現(xiàn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)分析，且穩(wěn)定可靠[4]。

經(jīng)過初步的框架設(shè)計，使學(xué)生掌握系統(tǒng)配置的相關(guān)功能，具備從系統(tǒng)視角開發(fā)項目的能力。通過STEP7-Micro/WIN V4.0 編寫梯形圖程序以及組態(tài)王6.55 進行組態(tài)控制動畫，算法在上位機組態(tài)王6.55 監(jiān)控軟件內(nèi)進行。監(jiān)控系統(tǒng)中將通道數(shù)據(jù)與模擬量相對應(yīng)并在上位機實現(xiàn)驗證，軟件工作流程圖如圖1 所示。

圖1 軟件工作流程圖

下位機PLC 控制程序采用STEP7- Micro/WIN 軟件，用梯形圖、語句表等編制的程序放在可編程存儲器中，最后采用數(shù)字或者模擬輸入，執(zhí)行邏輯運算[5]。將其安裝在電腦可以直接運行并編程仿真，在線或離線都可以開發(fā)用戶所需要的程序系統(tǒng)，在運行時實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，軟件安全性和兼容性高，能有效保障程序代碼的安全。學(xué)生通過簡單的學(xué)習(xí)能夠入門使用并進行操作，這對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、提升自信有極大的幫助。

2.2 程序設(shè)計及下載

（1）教學(xué)目標(biāo)

基礎(chǔ)儲備為S7-200 PLC 的數(shù)據(jù)類型和格式、存儲器的劃分和地址表示、尋址方式、用戶程序結(jié)構(gòu)及規(guī)則。進階掌握的為S7-200 PLC 基本指令、功能及編程方法。掌握電氣控制電路分析方法及原理圖的設(shè)計方法。

（2）教學(xué)和實踐內(nèi)容

根據(jù)視力監(jiān)控保護要求進行程序設(shè)計，最后將程序下載到PLC 里，以光照強度控制及距離報警為例，設(shè)計好的梯形圖如圖2 所示。本環(huán)節(jié)著重考察電氣控制基礎(chǔ)及PLC 基本指令及程序設(shè)計相關(guān)知識，要求學(xué)生掌握相關(guān)功能指令及編程方法，其中涵蓋了PLC的數(shù)據(jù)類型、尋址方式及用戶程序結(jié)構(gòu)等相關(guān)基礎(chǔ)知識。視力保護監(jiān)控系統(tǒng)采用光照傳感器進行光照強度檢測，光照傳感器采集的信號經(jīng)過光照變送器傳入S7- 200 PLC 模擬量入口AIW6，經(jīng)過轉(zhuǎn)化計算后利用比較開關(guān)把光照強度控制在正常的范圍內(nèi)。距離監(jiān)測采用距離傳感器檢測實現(xiàn)，采集的信號輸入S7-200PLC 模擬量入口AIW4，經(jīng)過轉(zhuǎn)化計算后利用比較開關(guān)把距離控制在30 ～40 cm 之間。

圖2 光照與距離報警梯形圖

將PLC 梯形圖下載到S7-200PLC 里，彈出頁面后點擊“下載”，然后通過查看電腦連接組態(tài)箱的端口位置，更改遠程地址，最后通過“設(shè)置PG/PC 接口”點擊選項選擇PC/PPI cable.PPI.1，點擊“Properties”之后進行端口設(shè)置，將通信選擇設(shè)置好后返回至通信界面，雙擊刷新之后出現(xiàn)PLC 的型號與通信地址，點擊連接它之后再點擊下載就完成梯形圖下載。這個小節(jié)的操作過程考察學(xué)生對仿真平臺使用的熟練程度以及發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，讓學(xué)生對程序設(shè)計的整個流程及相關(guān)要點有更深層次的認(rèn)知。

2.3 組態(tài)王與PLC 通訊

（1）教學(xué)目標(biāo)

了解組態(tài)軟件的特點、結(jié)構(gòu)及設(shè)計思路，了解項目管理器的結(jié)構(gòu)功能及組成和使用，熟悉組態(tài)方法、S7 系列PLC 通信協(xié)議和通信網(wǎng)絡(luò)，掌握S7-200 PLC的通信指令。

（2）教學(xué)和實踐內(nèi)容

組態(tài)王6.55 軟件基礎(chǔ)知識的教學(xué)實施可以通過學(xué)生自學(xué)、教師課前考核的方式來進行。比如其組成部分主要由工程管理器和畫面運行系統(tǒng)兩部分，工程管理器是組態(tài)王6.55 軟件的核心部分和開發(fā)系統(tǒng)，其主要功能是進行已建工程的搜索、添加、備份以及恢復(fù)等操作，這些可以通學(xué)生實際操作演示來進行考核。

在組態(tài)設(shè)計方面，考查學(xué)生的思維能力和發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。檢測狀態(tài)的仿真圖是通過C 語言編寫腳本程序使仿真動畫依據(jù)相應(yīng)設(shè)計進行聯(lián)動。按下按鈕開始檢測，讓學(xué)生設(shè)置位置上下限值，超聲波距離傳感器以及光照傳感器采集數(shù)據(jù)并計算出結(jié)果。接著讓學(xué)生對位置上下限值進行調(diào)整，以此來驗證未處于設(shè)定的安全位置范圍時的安全警報聯(lián)動功能是否正常。

在組態(tài)王與PLC 通訊的實踐教學(xué)方面，通常是先寫出腳本程序做出組態(tài)畫面然后再編輯程序，主要腳本程序最終都顯示在命令語言中，從而實現(xiàn)PLC與組態(tài)界面通訊[6]。對學(xué)生考查的主要內(nèi)容包括傳感器的采集控制以及組態(tài)面板的有效控制，最終實現(xiàn)對學(xué)習(xí)環(huán)境中各項參數(shù)展開實時監(jiān)測及調(diào)控的目標(biāo)。通過設(shè)定硬件I/O 口來實現(xiàn)組態(tài)王與PLC 之間的通訊聯(lián)動，如圖3 所示，首先重新定義設(shè)備并將新設(shè)備地址設(shè)置為2，具體操作順序為：PLC→西門子→S7-200系列→PPI。將梯形圖下載到CPU226 之中，調(diào)試設(shè)備之后點擊主畫面，進入監(jiān)控系統(tǒng)，通過從仿真畫面切換到view 點擊啟動按鈕，整個系統(tǒng)將會根據(jù)腳本程序的編寫進行組態(tài)仿真動畫。

圖3 PLC 通訊方式設(shè)置

2.4 案例仿真調(diào)試分析

（1）教學(xué)目標(biāo)

培養(yǎng)調(diào)測及排障能力、綜合應(yīng)用能力和實驗?zāi)芰Γ骖櫯囵B(yǎng)學(xué)生獨立工作能力及在規(guī)定時間內(nèi)完成工作的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計及就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。

（2）教學(xué)和實踐內(nèi)容

在綜合應(yīng)用能力方面，例如在光強自動調(diào)控設(shè)計環(huán)節(jié)中，燈光控制中的標(biāo)準(zhǔn)值的大小問題，可以讓學(xué)生自主查詢國標(biāo)GB50034-2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定中關(guān)于新建、改建和擴建的居住、公共和工業(yè)建筑環(huán)境的一般照度標(biāo)準(zhǔn)值，從而得知用于教學(xué)學(xué)習(xí)的教室課桌面的光照強度參考值為300 Lux，進而通過計算設(shè)定上下限使燈光隨著環(huán)境與時間的變化自動調(diào)節(jié)至合適的光照強度。

在調(diào)測及排障能力培養(yǎng)方面，例如進行距離及光強設(shè)定時，當(dāng)人與書桌之間的距離過近或過遠時設(shè)置的電極是否能正常放電進行刺激作用；在檔位進行自動調(diào)節(jié)時，整個系統(tǒng)能否自動完成相關(guān)設(shè)定功能，使系統(tǒng)各項參數(shù)值處于設(shè)定范圍內(nèi)，這些都是保障系統(tǒng)正常運行需要解決的問題。

如圖4 所示是某組學(xué)生完成設(shè)定任務(wù)后的仿真圖。按下開始檢測按鈕兩秒之后開始進行檢測，通過設(shè)置位置的上下限值與燈光的光照強度范圍，當(dāng)參數(shù)不在設(shè)定范圍內(nèi)時，則發(fā)出連續(xù)警報進行自動調(diào)控。而后模擬檢測了系統(tǒng)發(fā)生故障時，手動調(diào)節(jié)座椅以及燈光的模式，當(dāng)不在規(guī)定值范圍內(nèi)時座椅前方或后方電極放電并且蜂鳴器進行警報處理，提醒使用者進行相應(yīng)調(diào)整，最終達到視力保護的目的。

圖4 監(jiān)控測試完成頁面

3 案例教學(xué)考核及評價

根據(jù)OBE 教育理念，案例教學(xué)考核評價以最終的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，具體操作方式為對案例教學(xué)實踐過程的達成度進行考核。過程考核包括案例教學(xué)實施的四個步驟和現(xiàn)場簡單的答辯考查等，并根據(jù)綜合實驗結(jié)果給出實際操作成績，占總成績的50%；案例教學(xué)痕跡的最終體現(xiàn)為總結(jié)性的設(shè)計報告，內(nèi)容包括整個案例教學(xué)過程涉及到的相關(guān)知識及操作，占30%；為了引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新性，設(shè)置10%的成績作為該項工作的獎勵；另外10%的成績?yōu)楣ぷ鲬B(tài)度和紀(jì)律的考核標(biāo)準(zhǔn)。

通過案例教學(xué)的實踐訓(xùn)練，結(jié)合現(xiàn)場簡單答辯考核和實驗報告提交等環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠熟掌握常用電子儀器的使用方法，并具備PLC 控制系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計和調(diào)試的基本能力；掌握組態(tài)軟件的使用方法，能熟練使用組態(tài)軟件進行基本的控制頁面設(shè)計，提高綜合運用所學(xué)的理論知識獨立分析問題和解決問題的能力；能獨立撰寫規(guī)范的設(shè)計報告，進一步培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和科學(xué)的態(tài)度。

4 結(jié)語

優(yōu)秀的案例設(shè)計及規(guī)則可以有效地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)的主動性。通過基于OBE 理念的教學(xué)案例設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生進行思辨和評價，培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)造性思維能力，提高思維深度和廣度，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和從理論知識到工程實踐應(yīng)用的能力。

教學(xué)案例基于PLC 的視力保護監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了“電氣控制及PLC 技術(shù)”課程的主要理論知識，首先進行了程序與組態(tài)設(shè)計，根據(jù)流程圖建立仿真頁面并編寫梯形圖，然后通過編寫I/O 分配表與模擬量輸入輸出設(shè)計對視力保護系統(tǒng)進行仿真。仿真結(jié)果表明控制系統(tǒng)及各個開關(guān)與報警指示皆能按照腳本程序進行工作，達到了預(yù)期要求。通過基于OBE 理念的PLC 設(shè)計進行仿真分析，有助于學(xué)生鞏固和拓展相關(guān)專業(yè)知識，了解PLC 控制技術(shù)在自動控制過程中的作用，直觀地感受程序?qū)Ψ抡娼Y(jié)果的影響，使抽象的編程形象化，鍛煉學(xué)生的動手實踐能力，錘煉工程應(yīng)用素養(yǎng)。