教育改革背景下PLC教學方法的探索與實現

摘要：可編程控制器價格便宜、可靠性高、簡單易懂、操作靈活，在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、建材、機械制造、汽車等行業?；诖髮W教育改革要求，PLC作為一門實踐性較強的課程，本文針對該課程的特點，分析了PLC實踐教學的現狀和主要問題，從理論教學、實驗教學、案例教學以及教師隊伍自我能力提高等方面對課程改革進行了探討和研究，并提出了案例教學方案。通過教學實踐證明，新的教學方案提高了學生對所學知識的綜合運用能力以及動手實踐能力，取得了良好的教學試驗效果。

關鍵詞：PLC；案例教學；教學改革；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0131-02

隨著教育教學改革的進行，國內的諸多高校逐步重視實踐教學，強化應用型人才培養。因為實踐教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節，也是提高學生社會職業素養和就業競爭力的重要途徑。可編程控制器（PLC）做為一門實踐性較強的學科方向，在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等行業[1]。本文在研究教學特性的基礎上以重要的發電廠輸煤控制為例，說明使用案例教學法給教學帶來了新鮮元素，能使學生結合實際的生產過程應用理解PLC實現其功能的過程，為教學效果的進一步提升創造了條件。

一、可編程控制器的教學計劃改進

可編程控制技術是電力與自動化工程學院自動化專業的必修課之一，實踐性強、更新發展快，與生產過程現場和工程實際應用聯系緊密，并在實際自動化行業有非常重要并廣泛的應用。學生掌握后，可將這項技術直接應用于工業控制現場過程?？墒悄壳暗慕虒W和實踐存在諸多的問題，嚴重影響了PLC教學效果，分析PLC課程特點，對PLC的理論教學和實驗教學進行改革，對于促進PLC技術的發展和傳授具有重大的意義[2-3]。

目前國內高校在PLC課程教學中普遍面臨問題是教學設備單一，我校主要選用西門子S7-200系列PLC作為教學對象，由于其硬件簡單單一等特點，在教學過程中，必須充分利用PLC的軟特性，爭取更大的教學空間和資源，使得教學更利于學生理解應用，更人性化，故在教學過程中，充分利用實踐環節，互動案例教學等手段，提升教學效果[4-12]。針對實際情況，采取以下措施。

1.互動式教學

近幾年來，我們制作了多媒體教學課件，將西門子S7—200系列PLC實物圖片等內容以靜態或動畫等形式展現于課堂；利用S7-200的仿真軟件形象的實現短小應用程序的控制效果仿真，力求教學內容豐富、生動、形象、直觀、易于理解，加大知識獲取量，緩解課時與內容的矛盾，提升了教學效果，提高了教學質量。在課堂教學中，多媒體教學與傳統教學手段相結合。以信息量大的多媒體作為基本工具，充分發揮傳統的教學手段如板書、使得板書和多媒體相結合，互相兼顧，相得益彰，既調整教學節奏，又給學生思考的時間。同時注意教師與學生之間的互動交流，通過提問、分組練習、學生上講臺板書答案、交流討論等提高學生的注意力，激發學生通過自己努力解決問題的熱情。

2.拓展新的實驗教學項目

我們以模擬量實驗為例說明開發新實驗的過程。

（1）研究和使用S7-200系列模擬量I/O EM235模塊對實際環節的控制，明確模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊的使用方法。

（2）研究和開發模擬量基本實驗和一些相對典型的實驗、結合PID控制，中斷控制等方法完成模擬量控制實驗的整合，拓寬實驗內容和范圍。

（3）補充完善“PLC教學實驗指導手冊”的內容：本課程內容涉及“可編程序控制器應用技術”“電氣控制技術”“計算機硬件技術”“現場總線與儀器通信技術”等多門課程相關基礎，教學對象覆蓋面較廣。故實驗項目的設置和指導手冊必須做到內容寬范、形式多樣，要有足夠的靈活性和機動性，以便于學生根據自身特點進行選擇。

（4）實驗教學手段的提高：搭建S7-200模擬量實驗教學仿真平臺，通過仿真軟件的演示，直觀地、動態地進行指導、啟發，使學生順利地完成抽象的實驗，提高實驗教學的效率和效果。

二、PLC案例教學應用

1.案例教學意義

隨著火電廠規模和單機容量的擴大，許多大型設備在輸煤系統得到應用，且多數具備自動或半自動功能。如何組織和管理這些大型設備，使整個配煤系統在較高效率狀態下運行，是國內火電廠輸煤專業發展中亟待解決的首要問題。

由于電廠輸煤過程粉塵和噪聲比較大，設備運行環境差，由常規繼電器構成的控制系統運行可靠性不好，而可編程控制器具有可靠性高，抗擾性好，組合靈活，程序改寫方便，擴展性好，體積小等優點，由其構成的輸煤控制系統目前得到普遍應用。由于輸煤過程涉及的設備多、傳輸距離長、故障率較高、現場及時發現和排除故障比較難，每臺設備都擁有各自獨立的控制系統，因此如何組織和管理好這些設備，實時直觀并清晰地監控現場狀態，及時發現和排除輸煤系統中的各種故障，使輸煤系統在高效穩定運行，是國內火電廠輸煤專業發展中亟待解決的問題。

可編程控制器在越來越多的工業控制領域起著越來越重要的作用，由于施耐德電氣系列的PLC在電站控制系統中占有很重要的一席之地，本案例是以Quantum為主控制器來實現電廠輸煤控制過程。從而來分析和掌握控制系統的構架。

2.系統控制要求

（1）所有設備啟動時按逆煤流方向，從該流程最后設備（膠帶機及相關設備）開始依次啟動，直到第一條皮帶及相關設備啟動后，才開始供煤。停運時按順煤流方向，先停供煤設備，然后從第一臺至最后一臺設備依次停止，每臺設備之間按2分鐘延時順煤流方向逐臺停止運行（延時時間以皮帶機上余煤流完為準，為方便觀察這里均設置為5s）。

（2）在運行設備過程中，當任一設備發生事故跳閘時，立即連跳逆煤流方向的設備，但碎煤機不跳閘。當全線緊急停機時，碎煤機也不停。

（3）皮帶機兩側有拉繩開關，當皮帶機發生故障，需要緊急制動時用以停止逆煤流方向的設備。

（4）當發現皮帶嚴重跑偏時，聯跳該設備逆煤流方向的上游設備，但碎煤機不停機。

（5）當發生皮帶機縱向撕裂時，聯跳該設備逆煤流方向的上游設備，但碎煤機不停機。

3.系統結構圖

如圖1所示，兩個CPU分別位于兩個不同的機架，但機架配置同樣的模塊，此結構實現CPU的冗余配置，兩個CPU間通過光纖連接，當一個CPU出現故障時，它可通過該光纖與令一個CPU實現數據的交換，并且完成設備的切換。交換機實現PLC與上位計算的數據通信功能，其端口分別連接上位計算機網絡端與PLC的140NOE77101Ethernet TCP/IP模塊。主站與遠程站間通過同軸電纜連接，運用S908通信協議完成數據的傳輸。主站與遠程站間的最長距離可達2公里。計算機備有雙網卡，可分別于交換機連接，實現了網絡上的冗余配置。

4.硬件和軟件平臺

通過雙擊或者右擊圖2所示窗口內的各個選項，我們可以實現本地模塊配置、變量定義、通信網絡配置、遠程模塊配置、程序編寫、動態數據表創建與查詢等一系列工作。

Unity是施奈德電氣自動化的核心產品，它是新一代的軟硬件自動化平臺?；陂_放性和對工具的協同性應用，Unity在軟件開發和控制系統運行上達到了更高的水平。

Unity Pro的編程軟件界面如圖3所示。歡迎頁面為用戶提供了友好的訪問格式，這一用戶界面是在充分考慮了Concept和PL7Pro編程軟件的用戶反饋以后，重新進行設計的。

三、教學團隊能力的自我提升

在教學團隊中，主講老師通過各種途徑提升自己的教學能力和效果，例如參加西門子，菲尼克斯，貝加萊等公司組織的各種設計大賽，參加工業控制相關公司組織的各種培訓活動，并積極承擔PLC控制器作為主控實現的各種工業項目中，在不斷和兄弟院校學習和交流的過程當中，提升教學團體的整體教學效果，通過以上方式的不斷積累和思考，更加系統的完善教學內容和方法，有的放矢的實現教學方案和教學內容。

四、結語

通過對PLC課程問題的分析和教學過程中的實踐，讓學生能夠親自動手編制程序，在線對程序進行修改和模擬調試，通過一系列的具體題目編程鍛煉，使學生們掌握編程方法，編程思路，修改調試程序從而完成最終控制目標，通過對這門課理論和實踐環節的學習，學生們基本可以實現獨立編程，獨立調試，獨立解決程序中存在的問題，進而實現對一些實際工業控制現場的模擬控制，基本達到了可編程控制技術這門課的教學目標。

通過案例教學和教學團隊能力的自我提升，使PLC的理論基礎和實驗教學更好地結合到一起，不僅提升了PLC實驗教學水平，且對于提高教學質量，提高學生對所學知識的綜合運用能力，加強學生動手和實踐能力，提高學生就業競爭力具有重要的意義。

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（責任編輯：劉麗娜）