基于PLC實驗平臺的實訓項目開發及實施

杜麗敏，李學軍

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

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基于PLC實驗平臺的實訓項目開發及實施

杜麗敏，李學軍

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

摘要：針對以往學生在PLC實踐環節中缺乏主動性和興趣等特點，設計了不同難易程度的實訓項目，在項目開展中以學生為中心，把培養學生獨立完成實訓內容的構思、設計、實施和操作作為主要目標。實踐證明，學生通過對PLC IO口的分配、程序代碼的編寫、擴展電路板原理圖設計、調試等練習，更加敢于實踐和創新，達到了培養實踐型人才的目的。

關鍵詞：PLC；實訓項目；實踐教學

1概述

經過近幾十年的發展，PLC已廣泛應用于各行各業，如開關量控制、過程控制、運動控制、遠程控制、數據處理與網絡通信等，在工業控制裝置家族中PLC已占據了重要位置，成為自動化領域的三大技術支柱之一[1]。因此，PLC成為高等院校電氣控制專業非常重要的一門必修課。

傳統的教學模式主要側重于理論教學，而PLC課程特點更偏重實踐應用。為使學生對于PLC有一個更深入的了解以及培養學生較強的實踐能力，PLC教學實驗平臺也在不斷地被開發和利用，目前已有大量的PLC教學實驗設備進入到高等院校。基于PLC實驗平臺，各高校也設置了多種不同的實訓項目，但是學生的實踐能力沒有得到實質性的提高。分析其原因主要有兩個：一是學生缺乏自主性和創造性。PLC實驗平臺附帶很多實驗擴展板，學生只需對實驗平臺及擴展電路板進行插拔式的接線操作，導致學生被動接受的內容多、思考少、實踐效果較弱[2]；二是實驗平臺數量和實訓時間有限。PLC實驗平臺投資較大，因此高校所購買的實驗平臺數量有限，如何在有限的時間和有限的實驗平臺上取得更好的實踐效果，在實訓項目的選擇和實施的方法上目前還存在一定的問題。

本文將以學生為中心，從學生自身的特點出發來開設不同難易程度的實訓項目，倡導循序漸進、從興趣培養的教學理念。即從實踐一個簡單的PLC設計開始，建立起學生的實踐興趣，然后逐漸過渡到一個復雜的PLC電氣控制系統的設計。每個實訓項目要求學生要熟練掌握PLC控制系統從內容構思、設計、實施到操作的整個過程。了解了一個PLC控制系統設計的要領，可使學生在以后的工作中能夠舉一反三，完成更多的實踐任務。實踐證明，采取本文所設置的實訓項目和提出的實踐教學方法，多數學生都更加敢于實踐和創新，從本質上提高了學生的專業能力，達到了培養社會所需要的實踐型人才的目的。

2項目開發及實施

實訓項目的設置遵照由簡單到復雜，循序漸進的原則，可研制為初級實訓項目、中等難度實訓項目和高難度綜合實訓項目。每一級別的實訓項目又有多個不同題目，涉及到當前PLC常用的應用領域，覆蓋了PLC的內部結構、常用軟件、基本指令和常用功能，實現了PLC的模擬量控制、數字量控制、運動控制等。

PLC實驗方法有兩種，一種是用PLC實驗平臺和附帶的各種工業控制模塊進行實驗和應用程序的開發；另一種是用PLC實驗平臺和自行開發的控制模塊進行實驗和應用程序的開發。實驗裝置附帶的各種工業控制模塊可以很形象的模擬工業現場控制，學生只需完成一些導線的插拔連接和語言代碼的編寫工作，為PLC控制系統的開發節省了大量時間。學生可在有限的時間內完成更多的實訓項目，但同時這也帶來了一定的弊端，即學生的PLC控制系統硬件設計能力培養較少。而第二種實驗方法，可培養學生對于一個PLC控制系統的整體設計能力，可是擴展的控制模塊開發需要更多的時間，致使學生在有限的課時內只能完成部分實訓項目。另外擴展模塊的設計，需購買各種芯片、元器件等耗材，這將需要更多資金投入，對于多數高校又是不可行的。權衡一下利弊，可采取兩種方法的結合，為使學生完全掌握一個PLC電氣控制系統設計的全過程，培養學生的軟硬件整體設計能力，可選擇一到兩個實驗，學生自己設計擴展模塊，且這類實驗擴展部分所需成本較低，學校有能力提供給每個人這部分開發的資金；其他的實驗可使用現成的開發模塊，以使學生了解PLC在更多領域中的應用。

PLC實訓項目遵照由易到難、循序漸進的原則來進行，完成的目標如表1所示。首先進行初級實訓項目，要求熟練掌握PLC的基本結構、PLC的編程環境及常用梯形圖指令代碼；然后進行中等實訓項目，在這一環節，設置了多個PLC應用實例，要求學生能夠完成一個PLC電氣控制系統的整體設計，對PLC在多個領域中的應用和地位有一個初步的認識；最后進行高難度綜合實訓項目，對于一個稍復雜的PLC控制系統，學生應能給出設計方案，在有限的時間內可選擇獨立完成或者按照模塊分工完成該實訓項目。完成了整個實訓項目，學生實踐能力將會得到很大提升。

表1　PLC實訓項目級別及教學目標

2.1初級實訓項目開發與實施

首先研究PLC指令系統的基本操作方法，然后進行PLC的一些簡單的練習實驗，以熟悉PLC的基本結構及簡單應用。由此，初級實訓項目可開設3個實驗為入門練習：(1)編程環境及基本實驗步驟的熟悉；( 2)LED燈控制；(3)繼電器的控制等。

在這里，有必要進一步強調一下初級實訓項目設置的必要性。在與學生的交流中我們發現，即便是平時學習成績較好的學生，在面對實踐環節時也會產生畏懼。其主要原因就是在以往的實踐教學中，往往不會安排如此簡單的實訓項目，而對于稍復雜的實訓題目，學生從理論的學習到實踐的轉變沒有過渡過程，因為題目較難，學生就不能獨立完成，導致學生在實踐開始就失去了興趣，之后所有的實訓項目也就失去了信心。我們設置的初級實訓項目是所有實訓項目的基礎部分，梯形圖語言代碼可能只有兩三行，需要學生連接的導線也只有幾根，擴展模塊中器件只有LED燈或者繼電器等，因此學生對于該類實訓項目無論從構思、設計還是最后的實施和操作基本上都能獨立完成，由此，學生對于PLC應用及如何設計有了一定的初步了解，同時也建立起了興趣和信心。實踐證明，有了信心，建立起了積極性，學生在面對較難的實訓題目時也不再畏懼，他們更加敢于去實踐，只有敢于實踐，才能在實踐中發現問題，獲得更多的實踐經驗。

一、編程環境及基本實驗步驟的熟悉

本實驗應完成以下任務：(1)熟悉使用PLC編程軟件，了解PLC實驗裝置的組成；(2)掌握用戶程序的輸入和編輯方法；(3)熟悉基本指令的應用及梯形圖程序的編寫。

項目實施：完成此實驗需兩個階段，第一階段是課后練習。實驗之前，教師應提供與PLC編程環境及語言相關的資料，學生安裝編程軟件，并在課后熟練掌握PLC編程環境及編程語言；第二階段是課上練習。教師應向學生介紹PLC實驗平臺的組成、PLC輸入輸出單元、程序下載方式等，學生應完成程序代碼的編寫、下載及運行。

二、 LED燈的控制、繼電器的控制

熟悉了編程環境，學生可接觸PLC的基本結構及簡單的應用。PLC是一個控制系統的控制器，基于PLC的各種控制系統，都要將輸入輸出設備與PLC連接。常見的PLC輸入設備有開關、按鈕、各種傳感器等，輸出設備有繼電器、接觸器、電磁閥等。LED燈的控制、繼電器的控制等實訓項目的安排，可使學生掌握PLC輸入輸出點及與上述輸入輸出設備的正確連接，從而對PLC基本結構有一個基本的掌握。

PLC實訓項目練習均要求完成以下任務。(1) IO口的分配；(2)梯形圖程序代碼的編寫；(3)擴展模塊設計、器件選擇和焊接；(4)實驗平臺及與擴展模塊連線；(5)程序下載及調試；(6)撰寫實驗報告等。LED燈、繼電器的控制和后面介紹的中等實訓項目要求完成任務三的工作，而高難度綜合實訓項目可按照實際情況選擇使用已有的開發模塊。

項目實施：提供實驗所需的擴展面板、LED燈、繼電器、導線、電烙鐵、萬用表等。題目及任務課上給定，現場設計。根據實驗裝置數量，可選擇3~5人使用一臺實驗平臺。為保證實驗有效進行，較優秀的學生應先進行實驗，其他成員可選擇在練習紙上編寫程序代碼和設計擴展模塊等。為防止學生之間相互抄襲，同時啟發學生的各種創新的思想，在IO口的分配、擴展模塊和編程語言的設計上教師可給出不同的要求。此類項目是學生必須完成的環節，在實踐的過程中教師要注意觀察每個學生，并能正確的引導學生，使學生能更好的完成從理論學習到實踐學習的過渡，掌握一個簡單的PLC控制系統的設計方法。

考核評定部分：考核分成兩部分，一是實踐部分，二是報告撰寫部分。實踐環節評定應考慮內容構思、設計、實施和操作四個方面。傳統的實踐環節成績評定基本上只考慮實踐結果和完成實踐所花費的時間的多少，由此帶來一些弊端，多數學生為了快速的完成實驗，照搬照抄較多，思考較少，對于一些較好的學生，整個實驗過程也是保持著緊張的狀態，這種傳統的實踐方法沒有給予學生創新的機會，沒有讓學生深深的體會到實踐的樂趣，這也是導致傳統的實踐效果不佳的原因之一。因此從考核環節，我們要注意，不要過多的強調結果，而是注意實踐的整個過程，給予學生更加放松、更多思考的空間，以培養學生敢于實踐、樂于實踐的心理，從本質上提高學生的實踐能力。

2.2中等難度實訓項目開發與實施

經過一些高等院校相關專業調研[3]，中等難度實訓項目可以設置為4個實驗練習：(1)霓虹燈的控制；(2)噴泉的模擬控制；(3)密碼鎖的設計；(4)交通燈的控制等。上述實訓項目涉及到更多的PLC語言代碼的編寫，以及更加復雜的邏輯關系的處理。在此環節，學生將更深入一步的了解到PLC在電氣控制系統中的應用，以及對于PLC控制系統如何設計有一個更清楚的認識。

項目實施：現場布置題目并給出控制要求，3~5人使用一臺實驗裝置，現場設計。根據個人能力及時間的要求，學生可完成部分控制功能。以霓虹燈的控制為例，控制要求是選擇多種模式閃爍，模式不少于4種，其中水波紋、旋轉兩種模式必須完成。如果時間有限，可實現部分模式閃爍功能，但對其控制系統的整體設計，即前面所提到的擴展模塊的設計、語言代碼的編寫，以及最后的接線、調試運行的步驟缺一不可。整個實踐過程以學生為主導，教師給予適當引導，學生之間可以相互交流，從而啟發學生思考。實踐中教師要鼓勵學生舉一反三和創新，不要給與學生過多的壓力，讓學生在興趣中完成實訓鍛煉。

考核評定部分同初級實訓項目。

2.3高難度綜合實訓項目開發與實施

高難度綜合實訓項目所涉及的范圍包括復雜通信協議的實現、PID數字控制算法的實現、數字濾波器的實現等幾大類。因此實訓項目可設置5個實驗練習：(1)溫度的檢測和控制；(2)電機轉速控制；(3)電梯的控制；(4)網絡通訊；(5)數字濾波器設計等。上述部分實驗需要更多的實驗材料，比如電機轉速控制和電梯控制等，但這部分實驗，基本上實驗平臺已提供，為節省實驗成本，學生可直接采用，而不用再另行設計。

項目實施：這類項目涉及到多學科領域的綜合應用，設計較復雜，多數學生并不能在有限的課上時間來完成，教師可將題目和要求提前布置給學生，并對學生進行分組，往往項目都由多個模塊組成，每組按照不同模塊進行分工。以電梯控制為例，可分配1人負責電梯轎廂控制，1人負責電梯門控制，1人專門負責PID控制算法的設計等。每組成員及不同組的成員之間在設計的過程中可以進行相互交流，對于好的設計思路彼此可以借鑒。課后完成了設計之后，就可以在實驗平臺上進行驗證了，在此過程中，教師對于學生的設計要給出自己的看法和觀點，找到不同組學生之間設計的區別和存在的問題。由于這類實訓項目涉及到了本專業多學科領域的知識，甚至涉及到當前PLC應用的前沿，學生的設計方案也不盡相同，教師能否做到更好的指導學生，這對于教師來講也是一個很大的考驗，教師應事先做好充足的準備。同時教師也應具有一種向學生學習的良好心態，參與到學生的設計當中，取其所長，這樣教師和學生的能力都將會得到提升。

考核評定部分：盡管每個學生只完成了部分設計，但是要求學生上交完整的設計方案。即教師在對學生考核時重點評定本人設計部分，對于非本人設計的部分也要要求他們了解其設計原理。至于成績的給定原則同初級實訓項目，即從內容構思、設計、實施和操作四個方面來考核。但補充一點，對敢于創新的同學應給出更高的評價，無論其方案是否做到最好，這樣做的目的是避免學生在課后的設計中完全參照參考資料，如果這樣，學生的能力培養達不到預期的效果。

在分組完成的實訓項目中，既完成了個人實踐能力的培養，又讓學生看到了一個集體的合作力量，認識到團隊合作意識的重要性。總之，對于較難的實訓項目都可以采納這種方式來完成。

3結論

針對PLC實訓教學方法陳舊，學生被動接受的內容多，主動研究機會少，且學生不敢于實踐等問題，本文設計了不同難易程度的實訓項目，提倡由易到難、從興趣培養開始、以學生為中心的實踐教學方法。結果表明，學生的實踐能力有了很大的提升，從PLC基本結構的了解到最終學會了一個復雜電氣控制系統的設計，從不敢于實踐到最終的敢于創新，在本質上提升了學生的實踐能力，達到了培養實踐型人才的目的。

參考文獻：

[1]劉衛平，王明泉.PLC的發展及應用前景[J].機械管理開發，2009，24(5):78-80.

[2]許建鳳，傅永鋒.多模式PLC實訓平臺設計與研制[J]. 實驗技術與管理，2012,29(11):65-67.

[3]劉華波，等.西門子S7-200PLC編程及應用案例精選[M].北京：機械工業出版社， 2009.

[4]閆麗，崔君萍，張繼成.基于SAP、NET實驗教學示范中心平臺建設[J].黑龍江八一農墾大學學報，2014(1)：63-65.

責任編輯：程艷艷

Development and Implementation of Training Projects Based on PLC Experiment Platform

DU Limin, LI Xuejun

(College of Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

Abstract：In view of the problem that students are lack of initiative and interest in PLC practice, this paper designs the training projects with different difficult degrees, trying to cultivate the students to finish the conception, design, implementation and operation of training contents with the student-centered idea. It is proved that the students are more dared to practice and innovate through the PLC IO port assignment, program code writing, expansion circuit board principle diagram design and debugging, achieving the purpose of training practice-oriented talents.

Keywords：PLC; training project; practical teaching

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

文章編號：1009-3907(2016)02-0001-03

作者簡介：杜麗敏(1980-)，女，遼寧昌圖人，講師，博士，主要從事伺服控制方面研究。

基金項目：吉林省教育廳資助項目(SJYB14-04)

收稿日期：2015-10-28