面向工程教育的電氣控制與PLC研究性學(xué)習(xí)教學(xué)模式改革

楊志剛 薄敬東

摘?要：本文以國際先進(jìn)的CDIO工程教育理念為指導(dǎo)構(gòu)建“研究性學(xué)習(xí)”教學(xué)模式，該模式以自動化工程項目設(shè)計為主線，引導(dǎo)學(xué)生在項目設(shè)計過程中進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)。教學(xué)實踐證明，該教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)生獲取課程知識的同時，促進(jìn)了對學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，有效提高了課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工程教育;研究性學(xué)習(xí);電氣控制與PLC

一、緒論

電氣控制與PLC主要研究自動控制系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)技術(shù)，是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要技術(shù)手段。從一個普通的生產(chǎn)設(shè)備到企業(yè)的整個加工、制造系統(tǒng)乃至企業(yè)的整個生產(chǎn)過程，都需要由電氣與PLC控制技術(shù)構(gòu)建的自動化系統(tǒng)和自動化生產(chǎn)過程。電氣與PLC技術(shù)主要通過低壓電氣線路設(shè)計、系統(tǒng)總線集成、控制軟件設(shè)計等環(huán)節(jié)，將自動控制理論在具體控制任務(wù)中實例化，實現(xiàn)被控系統(tǒng)的自動運行。從早期的繼電器—接觸器控制，到以微處理器為核心的可編程序控制，控制系統(tǒng)實現(xiàn)了從硬件邏輯電路到數(shù)字運算的轉(zhuǎn)變，隨著智能技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，電氣與PLC控制技術(shù)也向著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向不斷延伸。

電氣控制與PLC課程在自動化、電氣工程及其自動化、機(jī)械工程自動化等專業(yè)都是一門重要專業(yè)課程。其課程知識體系大致分為四個方面的內(nèi)容：低壓電器元件和電氣接線圖設(shè)計;PLC基本指令和軟件編程方法;數(shù)字量控制系統(tǒng)設(shè)計;模擬量控制系統(tǒng)設(shè)計。由于電氣與PLC控制技術(shù)實踐性較強(qiáng)，傳統(tǒng)課程教學(xué)脫離工程實際多以概念、基本指令和簡單實例為主，采用“講授式”教學(xué)，不能充分調(diào)動學(xué)生積極性，使學(xué)生知識掌握分散，難以綜合運用知識進(jìn)行設(shè)計，課程實驗多以驗證性實驗為主，這種教學(xué)模式以不利于新工科背景下學(xué)生的綜合運用和工程實踐能力的培養(yǎng)。

本文在吸取國內(nèi)院校新工科課程改革成果基的基礎(chǔ)上[16]，結(jié)合我校特點，為解決“電氣控制與PLC”傳統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題，引入CDIO國際工程認(rèn)證教育理念，采用“研究性學(xué)習(xí)”教學(xué)模式改革傳統(tǒng)課程教學(xué)。

二、研究性學(xué)習(xí)教學(xué)模式改革建設(shè)目標(biāo)

電氣控制與PLC研究性學(xué)習(xí)教學(xué)，以自動化項目設(shè)計為主線進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)進(jìn)度的編排，以“培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力和永不滿足、追求卓越的態(tài)度”為基本目標(biāo)。課程以實際工程設(shè)計為背景，合理提高課程難度、增加課程與電機(jī)拖動、過程控制等課程的交叉，將組態(tài)設(shè)計涵蓋進(jìn)教學(xué)范圍，拓展學(xué)生對工程設(shè)計規(guī)范的認(rèn)知。通過研究性學(xué)習(xí)全程參與項目的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行等過程，讓學(xué)生在獲得知識學(xué)習(xí)的同時，獲得多方面的工程體驗和設(shè)計樂趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力。

三、研究性學(xué)習(xí)教學(xué)改革內(nèi)容

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

電氣控制與PLC是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要技術(shù)手段，在一般的自動化系統(tǒng)設(shè)計中涉及電氣控制、PLC、變頻控制、自動控制、通信和人機(jī)交互（組態(tài)軟件）等技術(shù)。課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)貼近實際，涵蓋工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計所需求的知識內(nèi)容。根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)大綱的要求，教學(xué)內(nèi)容以控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計和PLC程序設(shè)計為核心，以“夠用、實用”為原則，加入PLC通信、變頻控制、組態(tài)軟件設(shè)計內(nèi)容，按照按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和項目設(shè)計流程編排教學(xué)過程。具體教學(xué)內(nèi)容如下：

第1講，課程以自動化及PLC控制系統(tǒng)為開始，結(jié)合過程控制理論簡述自動控制系統(tǒng)的組成，以具體實例（水位控制）引入電氣控制線路、可編程控制器（PLC）、HMI人機(jī)界面、變頻驅(qū)動等控制環(huán)節(jié)，使學(xué)生清晰的認(rèn)識到各環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中所處位置和作用。

設(shè)計任務(wù)：從入戶電源開始，繪制家里的電氣線路，列出所采用的電氣元件清單及名牌參數(shù)。

第2講，講述工業(yè)自動化項目設(shè)計的流程，以水泥自動配料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計為實例，介紹系統(tǒng)工藝、功能設(shè)計、電氣設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)運行設(shè)置等流程。

設(shè)計任務(wù)：對調(diào)速稱（自動配料一個單元）進(jìn)行調(diào)研和控制方案設(shè)計。

第3講、第4講，講述工業(yè)自動化項目電氣控制，包括：低壓電氣原件、典型線路、低壓線路設(shè)計規(guī)范。

設(shè)計任務(wù)：對調(diào)速稱（自動配料一個單元）進(jìn)行電氣控制部分設(shè)計（原理圖、接線圖、原件清單）。

第五講，講述PLC的基礎(chǔ)和PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，以調(diào)速稱自動控制為例講述硬件設(shè)計的概念、IO分配，硬件接線。

設(shè)計任務(wù)：調(diào)速稱硬件設(shè)計及PLC接線（原理圖、接線圖、原件清單）。

第6講，PLC硬件組態(tài)，基本指令，以電機(jī)啟停控制為例引入PLC編程軟件、軟件配置、IO單元硬件組態(tài)、PLC基本邏輯指令編程。

設(shè)計任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)傳送帶啟停自動控制。

第7講，基本指令應(yīng)用，以電機(jī)多地啟動，多電機(jī)順序啟動逆序停止、設(shè)備聯(lián)鎖控制講解基本指令的組合邏輯。

設(shè)計任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)手動控制程序設(shè)計。

第8講，講述定時器指令、計數(shù)器指令，以電動機(jī)延時啟動、延時關(guān)閉講解定時器，以生產(chǎn)線產(chǎn)品計數(shù)講解計數(shù)器。

設(shè)計任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)報警、急停程序設(shè)計。

第9講，順序控制PLC程序設(shè)計方法、以料車控制為例講述順序功能圖的繪制，及順序控制軟件設(shè)計方法。

設(shè)計任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)自動控制程序設(shè)計。

第10講，講述PLC項目中的數(shù)據(jù)處理，以壓力模擬量采集、量程變換為例講解PLC數(shù)據(jù)處理指令。

設(shè)計任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)料重檢測程序設(shè)計。

第11講，講述PLC項目中的數(shù)據(jù)處理，以PID控制系統(tǒng)為例子，講解模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)的PLC實現(xiàn)。

設(shè)計任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)下料量PID閉環(huán)控制。