《電氣控制與PLC應用》課堂教學模式探索與教材建設

王亭嶺 熊軍華 周玉

摘 要：到激發學習興趣和縮短掌握“電氣控制與PLC應用”課程的學習時間，文章探索出多樣化的課堂教學模式，以項目教學法為核心，并將其貫徹于課堂教學的始終，同時在課堂講授時輔以動畫演示與PLC仿真，并不斷豐富自編教材體系及逐步完善校內精品課程建設，以促進學生自主牢固地掌握本門課程的相關知識。

關鍵詞：教學模式；項目教學法；PLC仿真；教材建設

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）02-0084-03

Abstract： In order to stimulate the learning interest and shorten the learning times of the course of "the Electrical Control and PLC Application"， a variety of classroom teaching modes were explored. The project teaching method was chosen as the core， and it was carried out in the classroom teaching with the animation demo and the PLC simulation. And the teaching material system was continuously enriched and the construction of school quality course was gradually improved to promote students to firmly grasp the relevant knowledge of this course.

Keywords： Teaching mode； project teaching method； PLC simulation； construction of teaching materials

引言

可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）技術脫胎于繼電-接觸器控制技術，二者具有很強的繼承性和互補性。目前很多高等院校將兩種技術合在一起講授，課程名稱為“電氣控制與PLC應用”。該課程對培養學生自動控制系統設計、分析及應用能力具有十分重要的作用。該課程將硬件電路設計和軟件應用程序設計相結合，涉及知識面廣泛，包括各種低壓電器組成的繼電-接觸器控制系統、PLC的結構與原理、PLC程序編寫技能、PLC控制系統的設計和調試等相關知識點，并涵蓋了微型計算機控制和網絡應用等相關內容[1]。

對于高校教師而言，課堂教學的過程就是教師通過課堂活動實現師生互動、共同發展的過程。教師要不斷提高自身的教育教學技能，指導學生學習行為，鼓勵學生參與課堂教學過程，并具有高效講授及交流技巧，能進行引導式、啟發式提問，能熟練使用多媒體工具輔助教學，具有較強的親和力和對課堂的創新能力等。針對“電氣控制與PLC應用”課程的特點，結合近十年來講授該課程的心得，不斷探索課堂教學模式的改革，大力加強教材建設，以期達到事半功倍的效果。

探索課堂教學模式重點圍繞培養學生的工程設計能力和工程實踐能力，貫徹基于工程應用，以工程項目為載體，理論聯系實踐的基本思路，充分發揮學生的主觀能動性。將項目教學法貫徹始終，并在課堂講授時輔以PLC仿真軟件，采用多樣化的考核方式，促進學生自主牢固地掌握“電氣控制與PLC應用”課程的相關知識，同時為學生開辟了第二課堂，建立較為全面的教學資源庫，制作生動的教學課件、設計完備的試題庫、教學仿真模型及工程項目的應用程序等。

一、項目教學法貫徹始終

項目教學法以課題模塊為單元，以項目為主線，通過設計不同的項目，將書本重要的知識點融入項目中，讓學生在實踐操作中掌握抽象的理論知識[2]。教師在講授時可以不按授課教材原有章節的順序開展教學，項目教學法極大提高了學生的學習積極性，教學效果獲得督導專家和學生的一致好評。按照項目教學法，“電氣控制與PLC應用”課程的教學內容組織結構如圖1所示。

項目教學法可根據不同專業授課課時的多少對圖1中五大模塊中的項目進行相應的刪減。盡管可編程控制器技術發展了幾十年，但仍然不能取代繼電-接觸器控制系統，如接觸器的主觸點是控制電氣主回路，PLC一般只工作在控制回路，且智能化可通信低壓電器也不斷在發展。模塊1繼電-接觸器控制系統設計與分析是基礎，成熟的技術不代表陳舊。掌握繼電-接觸器控制系統對理解PLC技術及應用十分重要。

模塊2講解S7-200系列PLC結構與工作原理，其中項目1為專業與通用計算機異同，各高校開設的“微機原理與接口技術”一般先于“電氣控制與PLC應用”，因此，復習先前開設的課程有助于掌握PLC的結構。針對計算機由五大部分組成（運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備）這一經典結構，可以快速理解PLC的結構。PLC屬于專業計算機的范疇，專業主要體現在I/O接口單元上，控制特征更明顯。隨著PLC性能的不斷提升，計算能力也越來越強，功能指令也就越來越豐富，功能指令可以借助高級語言的庫函數加以理解。PLC循環掃描的工作機理也可以借助計算機的知識來理解。PLC的系統程序類似于計算機的BIOS（基本的輸入輸出系統），是管理硬件層的操作系統，這個操作系統設置成定時循環掃描用戶編寫的PLC程序。這就是為什么PLC主程序中沒有類似于C語言中的while（1）{...}語句，仍然可以定時循環執行PLC程序。

模塊3講解S7-200系列PLC指令系統，梯形圖編程語言借助電氣控制原理圖一般比較容易掌握，但要深入學習PLC技術，搭建復雜的PLC控制系統，不掌握語句表編程語言會顯得力不從心，有些通信協議接口程序的編寫是非采用語句表編程不可。語句表編程語言類似于匯編語言，尤其是大量的功能指令，其助記符與匯編語言十分相似，略具計算機知識的人不難記憶。功能指令實際上是廠商為滿足各種客戶的特殊需要而開發的通用子程序。

模塊4講解S7-200系列PLC設計與應用，每個項目綜合多個重要的知識點。如項目3用PT100 RTD測量溫度，并用TD200顯示溫度，學習的知識點包括：模擬量擴展模塊EM235的配置、模/數格式轉換、標度變換、TD200的使用等。

模塊5講解S7-200系列PLC網絡與通信，難點是上位機和PLC的雙向通信。上位機PC與PLC通信時，為了避免各方爭用通信線路，常常采用主從結構的工作方式，首先應由主機主動發送請求報文，從機收到請求報文后便可以返回響應信息。

二、仿真教學法形象生動

講解“電氣控制與PLC應用”課程中的電氣原理圖和電氣接線圖時，抽象死板的圖紙，對于基本知識掌握不夠好的學生較難接受，理解能力強的學生相對較易掌握。對照圖紙講解原理，無論講的多么形象生動，不管針對何種學生，仍難以擺脫照本宣科的套路。如果能將死板的電氣原理圖和電氣接線圖做成Flash動畫，在講解時可以人為操作某些按鈕、開關，讓電路圖“動”起來，這樣學生既容易理解，又能提高學習積極性。

對于PLC部分，教學時難免要講解抽象的工作原理和枯燥的PLC指令，此時可借助PLC的仿真軟件，將理論講解與仿真演示結合起來，使學生更好的理解PLC的循環掃描的工作原理和指令的功能。如西門子S7-200系列PLC，可先用STEP7-Micro/WIN軟件進行編程，編好后把主程序和子程序一起導出，再送到S7-200 PLC硬件模擬軟件仿真運行。

S7-200仿真軟件不是西門子公司提供給用戶學習的，是由于S7-200系列PLC的全球廣泛使用，促使國外PLC愛好者編寫的。使用該仿真軟件學習S7-200 PLC可以大大節省硬件成本和縮短學習時間。目前，國內已將各種版本的仿真軟件漢化，其V3.0版可以對S7-200編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0編寫的程序仿真。仿真軟件不能直接接收S7-200的程序代碼，必須用編程軟件的“導出”功能將S7-200的用戶程序轉換為擴展名為“.awl”的ASCII文本文件，然后再下載到仿真PLC中去執行。最新版本的仿真軟件仍然不能對S7-200的全部指令和全部功能仿真。該軟件不需要安裝，運行文件夾中的“S7-200.exe”文件打開即可。

三、加強教材建設

華北水利水電大學陳建明、王亭嶺編著的教材《電氣控制與PLC應用》從2006年至2014年共計出版3次。2005年以前“電氣控制技術”與“可編程控制器技術（PLC）”在很多高校是作為獨立的兩門課程分別講授的，所用教材也是各不相同。隨著高校課程改革，課程學時的壓縮，“電氣控制技術”與“可編程控制器技術”合二為一，但國內卻很少有綜合二者技術的相關教材。2005年初至2006年初，課題組經過一年的探索和總結，《電氣控制與PLC應用》第1版于2006年2月由電子工業出版社正式出版。經過國內十幾家院校使用獲得一致好評，同時也提出了許多寶貴意見，并在2010年再版的《電氣控制與PLC應用（第2版）》一并進行了修訂，去掉了陳舊的內容。為了更好的深入學習西門子S7系列PLC，打造一本專業的精品教材，去掉了三菱和歐姆龍的相關章節。

“電氣控制與PLC應用”是綜合了繼電-接觸器控制、計算機應用、自動控制和通信技術的一門新興技術，應用十分廣泛。由于PLC技術脫胎于繼電-接觸器控制技術，兩者處于不同的發展階段，在理論和應用上一脈相承[3，4]。因此本書在編寫過程中力求做到：

一是講究實際。精心選取繼電-接觸器控制技術的內容，刪掉工程實踐中不太常用的電機擴大機及其控制系統、磁放大器和順序控制器的內容，大幅增加應用越來越廣泛的PLC的相關內容。

二是強調應用。側重介紹典型生產機械的繼電-接觸器控制線路和PLC工程實踐的應用線路，重點介紹利用PLC對三相異步電動機進行控制的多種實用基本線路，實現電動機的繼電接觸控制和PLC控制兩種線路對比分析。

三是方便教學。編寫上堅持深入淺出，循序漸進，理論結合實際的原則，書后附有實驗指導書、課程設計任務書、課程設計指導書，以便學生課后自學。本書較全面、系統地介紹了可編程序控制器及其應用技術，并不斷進行教學改革與課程建設的有益嘗試。鑒于上述這些特點，本書也便于有一定電氣技術基礎的人員自學。

為了適應教學改革和科研實踐的需要，課題組對2010年出版的《電氣控制與PLC應用（第2版）》進行了全面的修訂。本次修訂，除保持本書深入淺出、系統性強、富有工程性以及便于自學的特點外，刪除了“S7-300和S7-400 PLC系統配置與編程”一章，縮編“STEP 7-Micro/WIN32編程軟件”一章成為4.4節，增加了“可編程控制器與電氣傳動系統”一章，力求奉獻給讀者一本更專業、較完美的西門子S7系列PLC教科書[5]。2014年出版的《電氣控制與PLC應用（第3版）》成功入選國家級普通高等教育“十二五”規劃教材，“電氣控制與PLC應用”系列教材目前已經成為本行業經典教材，被幾十家科研院所作為首選教材使用。

四、結束語

“電氣控制與PLC應用”課程是機電一體化類、自動化類及電氣工程類專業一門綜合性和實踐性很強的專業選修課程。由于傳統教學方法無法適應本門課程的課堂教學，因此在“電氣控制與PLC應用”課程的日常教學中，實踐了多種新式的教學方法，如項目教學法、仿真教學法等，在今后的課程建設中也將不斷嘗試興趣小組教學法、模擬工業現場教學法、難點答疑教學法等。真正將理論知識與工程實踐緊密結合在一起，不斷提升課程的教學質量，加強學生的實際動手能力，提高學生自主學習的積極性，發掘和培養學生的創新力和創造力。

參考文獻

[1]“電氣控制與PLC應用”課程教學理念優化[J].電氣電子教學學報，2012，4（2）：20-22.

[2]基于項目式教學的電氣控制與PLC技術課程改革的實踐[J].高等函數學報，2012，11（6）：64-65.

[3]陳建明，熊軍華，王亭嶺.電氣控制與PLC應用[M].北京：電子工業出版社，2006，2.

[4]陳建明，王亭嶺.電氣控制與PLC應用（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2010，1.

[5]陳建明，王亭嶺.電氣控制與PLC應用（第3版）[M].北京：電子工業出版社，2014，1.