面向智能制造的PLC數字化控制實驗教學改革研究與實踐

摘 要：針對機械類專業PLC課程實驗教學存在的實驗實訓設備結構封閉、難以開展創新設計實驗，學生不能親身體驗設備安裝組態、無法深度剖析結構原理、缺乏學習主動性等問題，文章提出了PLC數字化控制實驗教學改革方案。通過重塑多層次模塊化的數字化實驗內容，開設以學為中心的數字化實驗項目，構建工程化、綜合性、創新型的PLC實驗實踐教學新體系，激發學生的學習興趣與創新思維，推動教學質量與專業水平上新臺階，培養高水平工程應用型人才。

關鍵詞：PLC數字化；實驗教改；智能制造；模塊化

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2024）11-0080-04

一、引言

黨的二十大報告指出，新型工業化的關鍵是以科技創新促進制造業高端化、智能化、綠色化發展，只有這樣才能持續推進制造強國建設。我國制造業既要強化高水平自主技術要素供給，又要加快推進數字技術發展，推進數字產業化、產業數字化，加速制造業轉型升級的進程。因此，要深入實施智能制造工程和制造業數字化轉型行動，加快制造業數字化、智能化升級[1]。

當前，傳統的機械設計方法在設計周期、功能、安全性等方面無法滿足現代用戶的需求。現代設計技術常常以各種控制器作為工具實現自動控制，借助網絡平臺，采用現代管理技術，運用工程設計的新思維和新手段，優化計算結果，其設計技術高效化和自動化[2]。PLC（Programm-

able Logic Controller，可編程邏輯控制室）數字化是一種基于虛擬仿真技術的技術應用，通過建立物理系統的數字模型，實現對物理系統的仿真和監測。在教育領域，PLC數字化技術可以應用于教學場景的模擬、學生行為的分析和優化、學習資源的智能推薦等方面，實現智慧教育的目標。PLC將數字信號或模擬信號作為輸入和輸出信號，以此完成各種類型的機械系統的控制過程。將數字化技術引入PLC課堂教學可以為學生提供更加真實、直觀的應用場景。

二、PLC實踐教學存在的問題

湖南工程學院機械工程學院的機械電子工程專業（以下簡稱“機電專業”）、機械設計制造及其自動化專業、材料成型及控制專業、焊接技術、機器人工程專業順應時代發展，均已開設“PLC控制”課程。然而，“PLC控制”課程在實踐教學過程中還存在以下突出問題。

1.傳統“PLC控制”課程缺少實際機械設備和實驗室環境。機械設備因笨重、體積大等原因，無法大批量搬進PLC實驗室，導致學生看不到機械設備的自動化過程，造成課程單調乏味，從而無法有效激發學生學習的積極性。同時，課程需要大量的電氣知識、數學知識，概念抽象枯燥，導致學生上課精神不集中，學習興趣不高，掛科現象嚴重。

2.學生動手實踐機會少，原因有2個方面。一是“PLC控制”課程整體上課時偏少，實驗課時則更少，導致學生可動手實踐機會少。二是附帶有機械系統的PLC控制類設備價格較高，學校經費有限，所采購的臺套數不夠，需要分組實驗，學生操作時間較短，動手實踐機會少。特別是近幾年，隨著對機械類專業人才需求增加而擴招人數，這一窘況更顯突出。

3.實驗實訓設備結構封閉，實驗內容固化，驗證型實驗多，難以開展創新設計實驗。學生只能簡單操作，不能親身體驗設備安裝組態，無法深度剖析結構原理，常感到課程知識枯燥難懂，缺乏學習主動性[3-5]。

積極開展“PLC控制”課程實驗實踐教學改革，以機械類專業為基礎，強化機械基礎知識，建立數字化實驗教學項目。MCD是一款易學、實用的機械設計軟件，同時也是時下流行的數字孿生技術，其能幫助學生在未來的實際工作中快速解決工程實際問題，減少成本投入[6-7]。在“PLC控制”實驗課程中引入MCD（機電一體化概念設計），使“PLC控制”實驗課程實現可視化、機電一體化，可以讓學生在自己的計算機上利用虛擬軟件進行仿真實驗，增加了學生動手實踐的機會，順應制造業數字化、智能化轉型需要，實現低成本、更高效的智能制造。

湖南工程學院機械工程學院利用數字化技術、多媒體和網絡通信技術，對機械類專業PLC 實驗教學進行數字化改革，通過探索機電融合的 PLC 數字化驅動實驗教學方法，開發工程化、綜合性、創新型數字化實驗項目，建立 PLC 數字化控制實驗實踐教學新模式。重視數字化仿真教學的探索研究，加大政策支持力度和經費投入，增強學生學習的自主性，鼓勵校企聯合開發虛擬仿真教學平臺等行之有效的做法，促使教師從課堂教學的主導者轉變為數字化教學的監督者和引導者，并借鑒吸收國外數字化教學的先進理念與技術手段，使數字化實驗教學真正起到推動教學改革、提高人才培養質量的重要作用。

（二）調整實驗項目，采取循序漸進方法，吸引學生主動學習

傳統的PLC實驗教學只有基礎實驗和綜合實驗，驗證性實驗多，設計性實驗少，教學改革后將增加工程實驗。

1.基礎實驗是指基本指令的應用、定時器計數實驗，主要是理解PLC的功能組成及工作原理、熟悉PLC輸入/輸出的含義、掌握PLC基本指令及典型程序的分析、掌握PLC梯形圖及語句表的編輯方法。

2.綜合實驗是指基本指令在簡單工程案例中的應用，主要是掌握各種編程方法的具體運用。

3.工程實驗主要是針對較復雜的機械系統，設計編寫較復雜的程序，實現機械系統的自動運行，其目的是結合科研項目、學科競賽項目，為學生提供更多的工程實踐項目，提高學生解決工程實際問題的能力。結合學院實際情況，未來還將開設一些風電、新能源汽車相關的PLC數字化控制實驗項目。

三、PLC數字化控制實驗教學改革方案

（一）結合機械類專業基礎知識，開發MCD數字化應用場景

MCD是數字孿生技術中的一種重要的數字化工具，是集機械、電氣、液壓、氣動、驅動、自動化和編程等多學科為一體的產品，是一個多學科技術融合與虛擬調試、開發的技術平臺[8]。

借助MCD數字孿生技術的PLC數字化控制過程如圖1所示。在數字空間中，運用MCD技術構建3D數字模型，建立HMI（Human Machine Interface）人機交互界面，在TIA（Totally Integrated Automation）完全集成自動化軟件上編寫PLC程序，通過PLCSIM. ADV（PLC仿真器）控制MCD模型，對設備動作、控制程序等進行虛擬調試，以數字化的形式預先驗證、優化設備的設計方案。在整個過程中，運用MCD技術構建3D數字模型是第一個步驟。機械類專業的PLC實驗課時不多，不可能在實驗課上進行MCD建模。學生大多對計算機軟件有著先天的學習興趣，而MCD軟件是一款如同樂高積木一樣的高智商游戲軟件，因此，教師可以利用課前時間（寒暑假）把MCD學習視頻發到學習群，讓學生自主學習，這樣不僅節省了實驗課時間，還能讓學生在學習MCD技術的同時再次學習機械類專業知識，將機械類專業知識有效地運用起來，使所學知識融會貫通。

（三）將現有的實驗設備數字化，使實驗設備利用率最大化

近幾年，湖南工5SMLshNg9AHPavIwck1jMVwXWlFt8bU+LUn6wFJ1Ry0=程學院機械工程學院引進了較為先進的機器人教學設備，由PLC控制，自動化程度高。但因價格昂貴，采購數量有限，作為學生的實驗教學設備，其滿足不了教學需求。利用數字化技術，將現有設備制作成數字化虛擬設備，并利用MCD技術，讓學生按照自己的設計理念對設備動作、控制程序等進行虛擬調試，可做到一人一機，且不影響設備的性能。虛擬調試通過后，再到實體機上完成實體控制過程，實現低成本、更高效的智能制造，不僅滿足了學生的實驗教學需求，還能將實驗設備使用率最大化，極大地提高了教學水平和教學效率。

（四）開發各具專業特色的PLC實驗教學項目

湖南工程學院機械工程學院機械設計制造及其自動化專業、材料成型及控制專業“卓越工程師培養計劃”“工程教育認證”整合PLC課程實驗教學內容，培養學生的實踐能力。為此，PLC數字化實驗主要從工程的角度出發，緊密結合機、電、液、氣、控制等領域，構建更具機械設計制造及其自動化專業、材料成型及控制專業特色的PLC數字化控制實驗教學項目，強化機械類專業特色，為以后的工程實踐奠定基礎[9]。

四、PLC數字化控制實驗教學總體實施過程

（一）了解學生需求和同行經驗，制定實施方案

以座談會的形式了解學生對PLC課程的需求，從源頭上尋找教學改進的方法；到其他高校調研，向同行學習取經，獲取PLC數字化的教學方法；向已畢業學生和用人單位了解最新技術前沿，收集工程案例，聽取校內外學生、企業對知識結構、課程設置的意見；廣泛查閱各種文獻，借鑒可執行的經驗，為課題研究打下基礎。

（二）優化整合實驗教學內容，將原有的實驗設備數字化

1.增加工程實踐案例，豐富實驗項目種類

當前，智能制造業、工業機器人領域日益蓬勃發展，因此，教師應把典型的工程實例引入實驗教學，用MCD技術將機械系統制作成3D數字模型，再并入到PLC數字化實驗項目中，尋找更多的工程案例，豐富實驗項目種類。

2.用新技術改造原有的實驗設備，實現線上線下混合式教學

湖南工程學院擁有幾臺大型智能化機械實驗設備，但因為臺套數少，不能大面積推廣使用，導致PLC課程設計性實驗項目少。用PLC數字化技術改造實驗室的機械設備，可以很好地解決這些問題。所以，在本次教學改革項目中，計劃完成一套大型實驗設備的改造任務。例如，機械工程學院工業機器人綜合實訓室的BDT-Robot機器人，因其價格昂貴，采購數量有限，致使學生動手機會少。因此，教師可將PLC數字化技術融入到設備中，重新調整實踐教學過程，如圖2所示。同時，考慮課時問題，將建立HMI、在TIA上編寫程序、通過PLCSIM. ADV控制3D數字模型等納入實驗教學中。將PLC數字化全過程納入課程設計、畢業設計等實踐環節，既滿足了教學需求，又實現了線上線下混合式教學，將教學與工程實際有機地結合起來，培養與企業、社會需求相一致的高水平應用型專業人才。

3.引入新技術、新成果，確保教學內容與工程實際相結合

在原有實驗教學的基礎上更新實驗內容，及時給學生講解與教學內容相關的新技術、新知識、新方法，開闊學生的視野，體現教學內容的時代特色。結合湖南工程學院應用型高校特色，設計開發風電、新能源汽車相關的數字化控制實驗項目。

（三）將數字化過程融入實驗課堂，實現形象化、可視化教學

根據PLC數字化控制實驗項目的3個層次，按照如圖3所示的流程，采用不同的教學方法，如翻轉課堂等，以直觀形象、可視化的方式展現PLC基本原理與應用。整體實驗項目以實踐的方式展開，將機械、液壓、氣動、控制等各門學科綜合運用起來，讓學生以數字化的方式自主設計實驗方案。這樣既體現了數字化特色，還提高了實驗項目的設計性比例，給予學生更多的設計空間。課堂上，當學生在實體機上調試時，教師可適當給予指導，避免學生出現安全問題。在課后環節，布置課后作業，引導學生自行設計小型科技作品，激發學生的學習興趣和創造性。在學科競賽領域，教師應發揮學生的潛能，并給予適當的指導。

（四）開發具有機械類專業特色的數字化實驗教學項目

以往在機械類專業開設的“PLC控制”課程只是單純的講授PLC知識點，教學改革后將打破這一傳統，即以PLC數字化課程為對象，結合機械類專業各門課程，開發數字化實驗教學項目，借助網絡平臺，共享實驗內容，建立開放式、網絡化、數字化實驗教學模式。

五、PLC數字化控制實驗教學改革成果

PLC數字化課程的應用性、實踐性、綜合性強，其成果還可以推廣至其他課程，應用價值高。學生可以通過PLC數字化實驗教學系統地獲得綜合應用知識，為參加實際工作打下良好的基礎。

（一）在機電專業的試點情況

將PLC數字化引入機電專業“機電一體化系統設計”課程設計中，豐富了設計內容，極大地激發了學生的學習積極性。2019級學生已將調試過程錄制成視頻資料，以供后續的教學使用。

PLC數字化內容得到了學生的認可。在PLC教學團隊指導的畢業設計中，學生的畢業設計普遍采用了數字化仿真軟件進行程序調試，畢業設計中的程序全部調試通過，而且有了視頻資料作為設計的佐證材料，有助于考證設計的真實性。教學團隊成員指導的畢業生多次獲得湖南工程學院“優秀本科畢業設計（論文）”榮譽稱號。其他機械類專業的實驗教學中也融入了PLC數字化內容，極大地提高了實驗項目的設計比例。

（二）將現有機械實驗設備數字化

將湖南工程學院機械工程學院的智能實驗設備數字化，作為PLC數字化實驗項目，既增加了實驗項目，還可以將實驗設備使用率最大化。目前已完成智能制造產線的數字化過程。

智能制造產線是一臺價格較高的智能實驗設備，由一套小型立體倉庫、一臺數控機床、一臺立式銑床、兩臺機器人、一套智能檢測系統和一臺智能運輸小車組成，其工藝流程是：智能運輸小車從立體倉庫取出原料，通過循跡的方式將原料送到數控機床，由第一臺機器人抓取原料送入數控機床進行加工，數控機床加工完畢后再由第一臺機器人送回智能運輸小車，智能運輸小車將初加工的工件通過循跡的方式送到第二臺機器人面前，第二臺機器人抓取初加工工件送入立式銑床進行銑削，立式銑床加工完畢后由第二臺機器人送回智能運輸小車，智能運輸小車將已加工完畢后的工件通過循跡的方式送入智能檢測系統，智能檢測系統檢測完畢后送回智能運輸小車，智能運輸小車通過循跡的方式送回立體倉庫。整個過程由PLC控制，工藝復雜。因為其價格較高、體積大，學校購買時只引進了一套，導致學生可實踐機會少，不利于教學的持續開展。

借助PLC數字化軟件，提出一種基于NX MCD的虛擬智能制造產線設計與仿真調試方法。首先建立智能制造產線的3D模型，其次運用NX MCD技術“物理化”模型，然后通過TIA博圖軟件設計S7-1500PLC控制程序和HMI監控界面，再以PLCSIM Advanced軟件建立MCD模型和虛擬PLC的通信連接，最后對智能制造產線和PLC進行聯合仿真調試，通過PLC仿真器控制MCD模型，對機械動作、控制程序等進行虛擬調試，確認控制程序的邏輯是否合理。驗證虛擬智能制造產線設計方案的可行性和有效性，摸索出可行的數字孿生方法，為機電產線設計、驗證與優化提供新思路，對于推動產學研變革創新有重要意義[10]。

通過PLC數字化調試后，再到實體機上調試，既可以提高程序的準確率，還可以增加多個實驗項目，如根據設備的組成情況可以分解出小型立體倉庫的數字化仿真系統設計、加工中心數字化仿真系統設計、智能檢測系統數字化仿真系統設計、循跡小車數字化仿真系統設計……做到充分利用實驗設備，實現設備的使用率最大化。

經過不斷探索與實踐，教學團隊逐步建立起以學生自主設計、以工程案例為基礎的PLC數字化控制實驗教學體系，受到了學生、督導、同行、企業專家等各方的高度評價，如湖南工程學院督導觀摩了實驗課程，給予的評價是“培養學生從實驗走向科技創新的思維，教學內容充實，講解清楚，指導到位”。同時，傳遞了家國情懷、工匠精神、職業素養、科技強國等正確的價值觀。

（三）學生受益情況

在機電專業的課程設計和畢業設計環節加入PLC數字化技術，極大地激發了學生的創新思維。教學團隊指導的2018級和2019級學生中有4名學生獲得了實用新型專利，其成果即是在PLC數字化仿真基礎上研發出來的，且獲得了湖南工程學院“優秀畢業論文”榮譽稱號；指導的畢業生因工程應用能力與實踐動手能力強，成為了企業技術骨干，如2014級某學生在半年內就主持工程項目，一年內擔任技術考官，成為企業導師，秘訣就是在校期間已開展實踐學習。

目前，PLC數字化課程已推廣到機械設計制造及其自動化專業，結合“機械控制工程”“工程測試技術”等控制課程，完善控制課程體系，為機械設計制造及其自動化專業的專業認證打下基礎，同時也獲得了專家、教師和學生的高度評價。

六、結束語

湖南工程學院機械工程學院對機械類專業PLC 實驗教學進行數字化改革，通過探索機電融合的 PLC 數字化控制實驗教學方法，強化學生的工程實踐意識，培養學生的動手實踐能力，提高教學質量與專業建設水平，對于培養高水平工程應用型人才具有重要意義[10]。

參考文獻：

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■ 編輯∕王力