基于MCD的PLC創新實踐教學方法探討

楊保健　康獻民　黃光潤　黃照輝

摘要：實踐教學是PLC教學中的重要組成部分，而現有的很多實踐教學方法在一定程度上限制了學生學習的主動性和積極性。論文創新性地將西門子MCD系統應用到PLC的實踐教學改革中，從概念設計、機械設計、電氣設計及軟件開發四個環節激發學生對PLC控制技術的興趣，讓學生在虛擬環境中實現機構的虛擬運動模擬和設計評估，有效提高了學生學習的主動性和積極性，達到了預期效果。

關鍵詞：MCD；實踐教學；PLC；積極性；仿真模擬

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）31-0190-02

一、引言

實踐教學是PLC教學中的重要組成部分，而現有的很多實踐教學方法在一定程度上限制了學生學習的主動性和積極性，不利于“大工程教育”和“新工科”背景下應用型人才的培養[1，2]。主要表現在：設備老套、實驗內容單一、實踐教學方法滯后。基于此，論文將MCD（Mechatronics Conceptual Design）與PLC有機結合，整合校企資源，探討一種新的實踐教學方法。

二、基于MCD的創新實踐教學

1.MCD系統簡介。MCD具體仿真過程包括零部件的3D數字化建模、運動關系的虛擬約束、PLC硬件的接線、PLC梯形圖的編制等。主要用于模擬PLC控制環境中各個機械零件和組件之間的相互運動關系，既可以實現機構的虛擬模擬和評估，也可以真實顯示虛擬模型的受控運動行為，初步實現在虛擬現實環境下的PLC實踐教學。學生能在虛擬環境中快速評估機械結構設計的合理性及控制系統的科學性，增強了機械、電子和自動化等跨學科設計的協作，可有效培養學生系統性全局性的設計能力。而在企業應用方面，最高可將產品上市時間縮短30%[3]。

2.基于MCD的多學科協同式實踐教學。借助MCD優化整合教學資源，搭建不同層次、不同類型的突出現場、突出實踐、突出一線的準企業、準工程化的虛擬綜合型訓練平臺。同時，將《PLC技術》課程教學大綱中規定的若干教學內容（涵蓋PLC基本指令、步進指令、應用功能指令、PLC與變頻器、PLC運動控制等）轉化為源自企業的實際工程項目，如：電風扇裝配流水線控制、機械手上下料動作的控制、運料小車動作控制、零件分揀系統模擬、基于PLC通信方式的變頻器開環調速等教學項目。以學生及其興趣培養為中心，圍繞項目組織和展開實踐教學，使學生直接參與項目的全過程。

小組的成員可以根據自己的能力選擇項目合作完成，很好地培養了學生的團隊合作精神和解決實際問題能力。具體包括以下幾個環節：控制對象建模、機構的運動約束、分配輸入輸出點、繪制控制接線圖、程序的編制與系統調試，如圖1所示。最后，每周匯總點評一次，組長匯報小組的完成情況，組員補充講解任務實施過程中遇到的問題和解決方法，共同探討其他小組提出的問題。通過運用MCD仿真軟件，極大地調動學生的學習積極性，有效彌補實驗內容老套、實驗設備不足等問題。基于MCD系統的仿真截面如下頁圖2所示。

三、綜合考核對比

1.課程考試成績對比。論文研究過程中隨機選取機械專業大三某班40名學生作為實踐教學改革樣本，4人一組進行多學科協同式PLC實踐教學，每組隨機從以下八個實踐項目中選取一個：自動停車場車位PLC控制設計、自助洗車機PLC控制設計、自動售貨機的PLC控制設計、電風扇裝配流水線控制設計、機械手上下料動作的控制設計、運料小車動作控制設計、零件分揀系統控制設計、基于PLC通信方式的變頻器開環調速設計。最后與其他平行班學生同期同卷考試，試題內容為PLC的實際應用，涵蓋PLC的系統接線、I/O口的分配、繪制梯形圖或指令表。考試成績結果如圖3所示。

從圖3數據可看出，樣本班級總體考試成績較其他兩個平行班級好。樣本班級的各大題的平均得分較另外兩個班級的高，且0分人數明顯比另外兩個班級少，反應出以學生為主體、教師為主導，以學生能力培養為目標的PLC體驗式實踐教學改革，有效提高了學生學習PLC理論知識并切身體驗PLC實際控制的積極性與主動性，讓學生從“老師要我做實驗”到“我想親自體驗PLC的虛擬控制”完美轉變。在鞏固知識結構、提高實踐能力和創新思維方面初見成效。

2.企業實踐評價。在學生完成了五個體驗式項目之后，我們在暑期進行了為期一周的企業PLC控制綜合訓練，進行物料傳送分揀系統的安裝與調試，將所學的基于MCD的PLC虛擬控制技術應用到實際的生產中。江門市中勝實業有限公司黃照輝副總經理對學生做出了這樣的評價：“學生在為期一周的綜合實訓中能夠通盤考慮概念設計、機械設計、電氣設計以及軟件開發等多領域問題，為我們解決了箱包生產流水線的PLC控制難題，具有很強的創新能力和實踐動手能力。”

四、結論

以珠三角地區對人才的需求特色和需求數量為改革目標的PLC創新實踐教學方法探索借助MCD優化整合了學校教學資源，試行了多學科協同式實踐教學方法并經過了平行班對比考試和企業用人評價，達到了預期效果。大大提高了學生學習的主動性和積極性，朝著“大工程教育”和“新工科”背景下應用型人才培養邁進了堅實的一步。

參考文獻：

[1]馬秀坤，史運濤，王捷，等.PLC實踐教學在應用型人才培養中的探索與創新[J].實驗技術與管理，2011，（3）：228-231.

[2]楊保健，楊鐵牛，葉榕偉.教學型高校機電傳動控制課程考核方法改革的探索與實踐[J].高教研究與探索，2014，（2）：47-49.

[3]楊啟森.Siemens PLM software MCD：連接虛擬與現實的橋梁[R].智能制造，2015，（12）：12-13.