基于工業(yè)軟件的“PLC原理及應(yīng)用”線上實驗教學(xué)實踐

趙 洋，胡亞偉

（東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院，廣東 東莞 523808）

2020年初突如其來的新型冠狀肺炎疫情在全國擴散，對國家和整個社會的各項事業(yè)造成了嚴(yán)重影響。2020年2月4日教育部印發(fā)了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，要求全國高校在疫情防控期間積極主動開展線上教學(xué)，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”[1-2]，我校于2020年3月2日正式開始網(wǎng)上教學(xué)。

“PLC原理及應(yīng)用”是面向我校自動化、電氣工程及其自動化、智能制造、機器人和電子信息工程等專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)課程。本學(xué)期共計有4個專業(yè)3個教學(xué)班級需要進行該課程的線上教學(xué)。該課程傳統(tǒng)的線下教學(xué)方法主要包括課堂理論教學(xué)和在實驗室硬件平臺上的實操實驗兩部分。

PLC控制技術(shù)是繼傳統(tǒng)繼電器控制之后發(fā)展起來的一種新型控制技術(shù)，在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[3]。為確保學(xué)生能夠通過本門課程的學(xué)習(xí)，熟練掌握PLC軟硬件組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試和故障分析與解決等工程實踐知識，本課程特別重視實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)，在學(xué)時分配上理論教學(xué)和實驗教學(xué)各占一半，凸顯了實驗教學(xué)的重要性。但當(dāng)教學(xué)模式從線下轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上時，實驗教學(xué)的模式和方法就必須在進行深入分析和探討的基礎(chǔ)上，進行相應(yīng)的改革，以此來保證教學(xué)效果不受影響。

1 “PLC原理及應(yīng)用”實驗教學(xué)改革背景

PLC是一款面向工業(yè)應(yīng)用的控制器，可以為邏輯控制、過程控制和順序控制等應(yīng)用場景提供完美的解決方案，并可依托其強大的數(shù)據(jù)處理和通信能力，構(gòu)建基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)[4-5]。本門課程的教學(xué)需要著重強調(diào)工程應(yīng)用背景，并輔以實際應(yīng)用案例來進行。在實驗教學(xué)過程中，為了保證教學(xué)效果，需要仔細(xì)研究數(shù)量繁多的實際案例，并精心設(shè)計一些具備共性功能且難度逐漸遞增的實驗內(nèi)容。當(dāng)受不可控因素影響，迫使傳統(tǒng)實驗教學(xué)從線下轉(zhuǎn)到線上時，應(yīng)該怎樣針對實驗環(huán)節(jié)進行合理設(shè)計就成為本門課程所必須面對的問題。基于筆者連續(xù)多年對本課程實驗教學(xué)模式及教學(xué)效果的深入分析，并結(jié)合對本課程自身特點的全面考量，認(rèn)為由傳統(tǒng)線下實驗教學(xué)向線上實驗教學(xué)轉(zhuǎn)變具有可行性，且很有意義。

首先，隨著網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，線上教學(xué)已越來越多地被國內(nèi)外大學(xué)所接受[6]。其突出優(yōu)點不僅在于打破了傳統(tǒng)實體課堂的限制，使教學(xué)本身不再受空間的約束，同時還可以突破時間的限制，使學(xué)生能夠在非固定時間根據(jù)自身的實際情況進行學(xué)習(xí)，從而使學(xué)習(xí)本身更加具有自主性[7]。但是由于缺少了類似傳統(tǒng)課堂上教師對學(xué)生課上表現(xiàn)的直接管理，教師對學(xué)生在線上學(xué)習(xí)的效果難以在較短的時間內(nèi)進行準(zhǔn)確把握。因此，特別是對于實操教學(xué)環(huán)節(jié)，必須對課程難度進行合理設(shè)置，讓學(xué)生對知識的接受過程可以由易到難逐漸深入。同時，還需要建立線上教學(xué)過程實時反饋通道，從而及時回應(yīng)學(xué)生在實驗過程中可能遇到的各種疑問，做到有問題及時解決，不遺留問題。

第二，本課程傳統(tǒng)線下實驗的基本模式是教師基于實驗平臺的具體硬件條件，設(shè)計能在該平臺上完成的實驗內(nèi)容，學(xué)生拿到實驗指導(dǎo)書后，按照實驗要求在平臺上完成實驗內(nèi)容并編寫實驗報告。該模式的優(yōu)點是實驗內(nèi)容較為具體，學(xué)生可以在課上時間根據(jù)教師的實驗指導(dǎo)完成實驗內(nèi)容，同時實物實驗可以讓學(xué)生對實驗設(shè)備和應(yīng)用場景有比較直觀的認(rèn)識。但是該模式的缺點也是顯而易見的：①受限于實驗平臺的硬件條件，所能開展的實驗內(nèi)容比較有限，若想對實驗內(nèi)容進行擴充，則需要通過增加經(jīng)費投入對硬件設(shè)備進行擴展和更新；②在較為固定的實驗內(nèi)容和實驗流程的約束下，學(xué)生的主觀能動性不能充分激發(fā)，學(xué)生對于實驗的理解往往處在較為粗淺的階段[8]。但是如果采用線上實驗教學(xué)模式，就能通過選擇合適的實驗工具和方法來對線下教學(xué)模式揚長避短，進而增強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生實操能力培養(yǎng)的作用。

第三，實驗教學(xué)的主要目標(biāo)是讓學(xué)生提升動手能力，克服眼高手低問題[9]。“PLC原理及應(yīng)用”課程具有極強的工程背景，對學(xué)生實際操作能力的培養(yǎng)是本課程教學(xué)效果的重要評價指標(biāo)。本課程的理論教學(xué)側(cè)重于對基本概念和基本指令使用方法的講解，但本質(zhì)上是要使學(xué)生能夠基于實際問題通過編程來實現(xiàn)具體的控制任務(wù)。雖然PLC本身是一個硬件設(shè)備，但學(xué)生主要需要提升的卻是分析問題并采用軟件編程解決問題的能力。因此，本課程實驗內(nèi)容的重點應(yīng)是組態(tài)開發(fā)軟件的熟練使用、對各種經(jīng)典梯形圖程序的深入理解及對復(fù)雜控制任務(wù)的編程實現(xiàn)，即本門課程的實驗教學(xué)應(yīng)該以硬件的熟悉為輔，以軟件的使用為主。可以看出，本課程的特點決定了其實驗教學(xué)由線下轉(zhuǎn)為線上時具有明顯優(yōu)勢，其中，對于硬件的認(rèn)識和了解完全可以借助于各種多媒體工具實現(xiàn)，而關(guān)于軟件的使用則可以在合理選定實驗軟件工具后，完全不受硬件平臺的制約。

綜合以上分析可知，對傳統(tǒng)“PLC原理及應(yīng)用”課程實驗教學(xué)模式進行線上教學(xué)模式改革，是客觀條件下不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢，而該課程自身的特點又為這種改革和實踐提供了較好的基礎(chǔ)和驅(qū)動力。

2 基于工業(yè)軟件的實驗設(shè)計

PLC作為工業(yè)控制器，其應(yīng)用于具體控制任務(wù)的開發(fā)過程有較為固定的流程，如圖1所示。

圖1 PLC項目開發(fā)流程及工具

由圖1可以看出，PLC開發(fā)過程中的大部分環(huán)節(jié)都離不開組態(tài)軟件的使用。除硬件設(shè)備選型外，實際系統(tǒng)在線運行調(diào)試也要對應(yīng)具體的硬件對象來完成。但是，硬件設(shè)備選型環(huán)節(jié)本身不在本課程實驗教學(xué)范圍之內(nèi)，系統(tǒng)在線調(diào)試也完全可以用仿真軟件來代替真實硬件設(shè)備。因此，單純從實驗教學(xué)角度而言，本課程線上實驗的開展僅需組態(tài)軟件和仿真軟件相配合即可。

2.1 TIA+PLCSIM線上實驗解決方案

PLC屬于工業(yè)產(chǎn)品，不同的生產(chǎn)廠商在推出自己的PLC時，也會同時推出適用于自身產(chǎn)品的配套工業(yè)軟件。因此，實驗教學(xué)所選用的軟件需要與理論教學(xué)所講授的具體機型相配合。我校開設(shè)此課程時，相關(guān)任課教師通過調(diào)研討論確定選擇了西門子小型整體式PLC即S7-1200，作為本課程的教學(xué)機型。S7-1200PLC控制器是西門子面向中小型工業(yè)應(yīng)用場景推出的一款產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、可擴展性強和可實現(xiàn)高精度自動化控制任務(wù)等特點[10]，是PLC入門學(xué)習(xí)的首選產(chǎn)品。

西門子公司針對其包括 S7-1200PLC在內(nèi)的多款PLC和其他自動化工業(yè)產(chǎn)品配套推出了博圖組態(tài)開發(fā)軟件，即TIA Portal。基于該軟件平臺，用戶可以實現(xiàn)對 PLC等設(shè)備的軟硬件組態(tài)和調(diào)試。為方便對 PLC進行虛擬仿真調(diào)試，西門子公司專門推出了 PLCSIM仿真軟件。基于該軟件，可以實現(xiàn)在沒有實際硬件設(shè)備的情況下，與TIA軟件進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，并應(yīng)用TIA所提供的調(diào)試工具對PLC進行仿真調(diào)試。基于該軟件的仿真調(diào)試結(jié)果可以直接切換到真實的PLC上運行[10-11]。因此，本課程的線上實驗教學(xué)完全可以借助這兩個軟件來實現(xiàn)和完成。

2.2 線上實驗設(shè)計

本課程線上實驗首先要求學(xué)生熟練掌握所選定的兩款軟件的基本操作。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一些與實際工業(yè)現(xiàn)場控制案例相關(guān)的實驗內(nèi)容，以幫助學(xué)生提升分析和解決實際問題的能力。本課程在選擇和設(shè)計具體實驗內(nèi)容時應(yīng)主要考慮以下幾方面要求。

（1）工業(yè)軟件相對于學(xué)生而言較為陌生，學(xué)生普遍感覺上手比較困難。為降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，減少他們學(xué)習(xí)過程的受挫感，需要對基本的軟件操作錄制視頻，作為學(xué)生學(xué)習(xí)的參考資料。

（2）實驗難度設(shè)計要合理，要讓學(xué)生由易到難地逐步熟悉和掌握PLC相關(guān)開發(fā)軟件的使用，以及應(yīng)用PLC控制器解決給定的控制任務(wù)。此外，還需增加實時交流互動環(huán)節(jié)，以便及時解決學(xué)生在實驗過程中遇到的各種問題。

（3）實驗內(nèi)容在可以完全覆蓋本課程所必須掌握的知識點的基礎(chǔ)上，應(yīng)具有一定的開放性和可擴展性，以此來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。即除必須的實驗內(nèi)容之外，學(xué)生還可以根據(jù)自己對問題的理解，對控制功能進行進一步的添加和完善。

根據(jù)以上要求，再通過深入的分析和研討，筆者最終確定的實驗內(nèi)容如表1所示。本課程包括10個實驗，共計20學(xué)時，其中8個實驗（每個實驗2學(xué)時）側(cè)重于基礎(chǔ)能力的訓(xùn)練，屬于驗證性實驗；1個實驗（4學(xué)時）為綜合性的開放題目，作為提升訓(xùn)練；1個演示視頻，不占學(xué)時。

表1 PLC課程線上實驗內(nèi)容

2.3 仿真實驗案例分析

以表1中的實驗“自鎖邏輯控制的實現(xiàn)”為例，對基于 TIA+PLCSIM 工業(yè)軟件進行的線上實驗操作流程進行說明如下。

本實驗的主要內(nèi)容是，設(shè)計一個對LED燈的開關(guān)控制，當(dāng)按下啟動按鈕（數(shù)字量輸入）時，LED燈（數(shù)字量輸出）保持常亮，當(dāng)按下停止按鈕時（數(shù)字量輸入），LED燈滅。當(dāng)該實驗在實物平臺上進行時，需要用到TIA開發(fā)軟件及包括按鈕、燈和連接導(dǎo)線等在內(nèi)的硬件。現(xiàn)在我們對該實驗進行仿真，硬件組態(tài)和控制程序設(shè)計仍用TIA來完成，且仿真實驗的硬件組態(tài)和控制程序設(shè)計與實物實驗的對應(yīng)內(nèi)容完全相同。區(qū)別僅在于系統(tǒng)調(diào)試部分由PLCSIM進行仿真，即開關(guān)的接通和斷開操作及對應(yīng)的燈的亮和滅，是在PLCSIM 軟件上進行模擬和觀察的。本仿真實驗的操作流程如圖2所示。

圖2 仿真實驗操作流程

本案例的線上仿真實驗截圖如圖3所示。圖中上半部分為 TIA中 PLC編程和調(diào)試界面，下半部分為PLCSIM中對數(shù)字量的仿真和觀察界面。

由圖 3所呈現(xiàn)的仿真實驗結(jié)果可以看出，借助TIA和PLCSIM兩款軟件完全可以將實物平臺實驗轉(zhuǎn)移到線上進行。并且由于仿真實驗的調(diào)試結(jié)果與實物實驗完全相同，當(dāng)線下實驗平臺開放時，學(xué)生可以直接移植到實物平臺上進行再次驗證。

圖3 仿真實驗截圖

3 線上實驗教學(xué)實踐總結(jié)

本課程因受疫情影響被動地由線下教學(xué)轉(zhuǎn)為線上進行，似乎是一種不得已而為之的事情。但也應(yīng)該看到，這其實也為本課程的教學(xué)改革提供了契機。傳統(tǒng)線下實驗雖然在直觀性方面具有不可比擬的優(yōu)勢，但其短板也很明顯，對學(xué)生動手能力和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)存在劣勢[12]。當(dāng)實驗場景由真實環(huán)境轉(zhuǎn)向虛擬環(huán)境時，學(xué)生可充分利用先進的軟件開發(fā)工具，以現(xiàn)代自動化領(lǐng)域中最重要的人機交互模式來完成實驗任務(wù)。

3.1 線上實驗教學(xué)的特色

（1）實驗手段的新穎性。這種基于工業(yè)軟件的仿真實驗教學(xué)模式給本課程的學(xué)習(xí)者帶來了一種新的實驗體驗，在盡最大可能模擬硬件實物操作方式的同時，保證了實驗教學(xué)效果不打折，并激發(fā)了學(xué)生的求知欲望和參與熱情。

（2）實驗設(shè)計的合理性。經(jīng)仔細(xì)設(shè)計的本課程線上實驗內(nèi)容，確保了難度進階與學(xué)生的接受過程相一致，有助于學(xué)生逐步掌握本課程的知識點，不斷打磨和提高動手能力。

（3）教學(xué)素材的重復(fù)使用性。以教學(xué)視頻形式呈現(xiàn)軟件使用的基本操作，能夠使學(xué)生在任何有需要的時候觀看、學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，從而幫助學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識。

3.2 線上實驗教學(xué)實施效果

本學(xué)期本課程首次引入線上實驗教學(xué)法后，已針對我校2018級的3個教學(xué)班開展教學(xué)實踐。截至目前，學(xué)生已完成表1中所列的前8個實驗。根據(jù)學(xué)生實驗報告的反饋結(jié)果和線上實時交流互動的情況來看，學(xué)生對線上教學(xué)模式普遍比較接受，在熟悉相關(guān)軟件的使用后能夠在完成實驗基本要求的同時，提出自己對問題的獨到見解，并完成對控制程序的改進和仿真調(diào)試，達到了本課程的教學(xué)目標(biāo)要求。

4 結(jié)語

基于工業(yè)仿真軟件的“PLC原理及應(yīng)用”課程實驗教學(xué)改革，是在受不可抗拒因素影響和互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)日趨發(fā)展的大背景下，在任課教師對本課程原線下實驗內(nèi)容、線下教學(xué)和線上教學(xué)差異和各自特點以及PLC控制器自身的工程應(yīng)用屬性等諸多因素進行深入分析調(diào)研之后，開始設(shè)計并實施的。通過對實驗教學(xué)方法、實驗工具和實驗內(nèi)容設(shè)計等方面的改革進行探索和實踐，本課程的線上教學(xué)取得了很好的效果。學(xué)生經(jīng)過多個實驗的實踐后，分析解決實際問題和實操相關(guān)工業(yè)軟件的能力顯著提升，極大地提高了學(xué)習(xí)主動性和學(xué)習(xí)熱情。這也為本課程今后繼續(xù)開展全線上教學(xué)或線上線下相結(jié)合的教學(xué)實踐打下堅實基礎(chǔ)。