智能制造工業(yè)4.0時(shí)代下“PLC實(shí)踐教學(xué)體系”探索與研究

摘要：隨著工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025的逐步推進(jìn)，相關(guān)專(zhuān)業(yè)的課程教學(xué)內(nèi)容、方式也應(yīng)進(jìn)行改革創(chuàng)新，以適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)人才的需求。“PLC原理及應(yīng)用”或“PLC與電氣控制”是電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，在智能制造工業(yè)4.0的時(shí)代背景下，學(xué)生除掌握傳統(tǒng)知識(shí)還需要學(xué)習(xí)一系列新的技能和理念，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)課時(shí)等因素的限制，實(shí)踐教學(xué)條件并不能完全與行業(yè)發(fā)展保持一致，因此，在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)因時(shí)因地制宜，充分利用現(xiàn)有設(shè)備條件，靈活調(diào)整教學(xué)方法，利用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)降低對(duì)物理硬件的依賴(lài)。本文針對(duì)“PLC實(shí)踐教學(xué)體系”，提出了PLC實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革創(chuàng)新思路并進(jìn)行了初步探索與研究，旨在深化學(xué)生對(duì)PLC知識(shí)的理解、促使學(xué)生了解行業(yè)需求、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、提升實(shí)踐創(chuàng)新能力，能在就業(yè)中保持核心競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：PLC實(shí)踐教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)條件；實(shí)踐創(chuàng)新能力

可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC（英文：Programmable"Logic"Controller）是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景應(yīng)用而設(shè)計(jì)的控制裝置，PLC已被廣泛應(yīng)用在制造業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、過(guò)程控制系統(tǒng)、物流分揀系統(tǒng)等眾多工業(yè)控制領(lǐng)域中，被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（工業(yè)機(jī)器人、PLC、CAD/CAM）之一[1]。“PLC原理及應(yīng)用”或“PLC與電氣控制”作為電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，是一門(mén)與工程實(shí)際緊密聯(lián)系，應(yīng)用范圍廣、實(shí)用性高、綜合性強(qiáng)的課程[2]。因此，在PLC課程的學(xué)習(xí)上，更注重于實(shí)際操作技能的提升，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目使學(xué)生了解PLC的基本使用方法，掌握基本的PLC使用技能，能根據(jù)控制場(chǎng)景需求編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序，在此基礎(chǔ)上深化學(xué)生對(duì)PLC理論的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。近年來(lái)，在發(fā)改委戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的引領(lǐng)下，我國(guó)裝備制造業(yè)正在由低端裝備制造向智能制造與智慧化裝備發(fā)展，雖然PLC控制技術(shù)仍然是自動(dòng)化控制領(lǐng)域的基石，但裝備制造業(yè)的智慧化轉(zhuǎn)型對(duì)從業(yè)人員提出了更高的要求，隨著智能化程度的提升，對(duì)PLC技術(shù)人員的要求不再局限于傳統(tǒng)的編程與維護(hù)，對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的掌握也至關(guān)重要，PLC相關(guān)從業(yè)人員必須深入學(xué)習(xí)并掌握先進(jìn)的PLC知識(shí)及其最新發(fā)展方向，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，在產(chǎn)業(yè)變革中保持競(jìng)爭(zhēng)力[3]。然而，因教學(xué)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、學(xué)時(shí)有限等條件的限制，很多高校的PLC實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)仍以邏輯控制為主，技術(shù)更新滯后，單純學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的PLC控制技術(shù)，畢業(yè)求職時(shí)學(xué)生可能無(wú)法適應(yīng)快速變化的就業(yè)市場(chǎng)，所以，有必要對(duì)PLC實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一定的調(diào)整優(yōu)化，在教學(xué)方法、課堂管理、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等方面進(jìn)行探索，利用PLC仿真軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)建逼真的工業(yè)控制場(chǎng)景，進(jìn)行編程練習(xí)、系統(tǒng)調(diào)試和故障診斷，使學(xué)生能全方位、深入地了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備的結(jié)構(gòu)、布局、工藝流程、工作原理、控制過(guò)程等信息，在現(xiàn)有的條件下接觸更為先進(jìn)的技術(shù)和理念，如視覺(jué)檢測(cè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、分布式協(xié)作等技術(shù)[4]，盡可能縮小教學(xué)內(nèi)容與市場(chǎng)需求之間的差距。

1當(dāng)前PLC實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

很多高校近年來(lái)都對(duì)PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了更新與升級(jí)，雖然PLC設(shè)備型號(hào)做了相應(yīng)的升級(jí)，但大部分實(shí)驗(yàn)的被控對(duì)象仍以信號(hào)指示、單獨(dú)的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備（如電機(jī)、溫度）等簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置為主，學(xué)生難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)性項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐操作，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的深度、廣度與行業(yè)需求有著較大差距[5]，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）"實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容過(guò)于傳統(tǒng)，缺乏現(xiàn)代技術(shù)的融入。當(dāng)前各高校的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容大多過(guò)于傳統(tǒng)，即使設(shè)備進(jìn)行一定的升級(jí)，而實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容也以傳統(tǒng)的邏輯控制為主，以S7-200"PLC到S7-1200的產(chǎn)品升級(jí)為例，PLC設(shè)備升級(jí)換代后在多方面為智能制造、工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)提供了便利，但在主設(shè)備由S7-200"PLC升級(jí)為S7-1200"PLC后，很多高校仍然以實(shí)現(xiàn)“電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制”“十字路口交通燈控制”等邏輯控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主要實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容未根據(jù)設(shè)備使用的新技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)更新，缺乏對(duì)工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)的融合應(yīng)用。

（2）"教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)需求對(duì)接不緊密。高校教師主要以教學(xué)為主，缺乏對(duì)最新的行業(yè)動(dòng)態(tài)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及未來(lái)趨勢(shì)的了解，難以精準(zhǔn)把握行業(yè)需求，未與企業(yè)實(shí)際需求緊密對(duì)接，部分教學(xué)內(nèi)容未能及時(shí)根據(jù)行業(yè)需求調(diào)整，而在校學(xué)生了解行業(yè)的主動(dòng)性、積極性、信息渠道都更為有限，使得學(xué)生求職就業(yè)時(shí)對(duì)行業(yè)需求了解不足，可能面臨技能與需求不匹配的問(wèn)題。

（3）"實(shí)踐教學(xué)時(shí)間安排有限，學(xué)生缺乏足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。隨著學(xué)校規(guī)模的擴(kuò)大，在校學(xué)生的不斷增加，實(shí)踐教學(xué)課時(shí)有一定的縮減，個(gè)別專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)時(shí)間僅能滿(mǎn)足演示、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)室往往僅能勉強(qiáng)滿(mǎn)足日常的教學(xué)需求，能對(duì)學(xué)生開(kāi)放使用進(jìn)行課外學(xué)習(xí)時(shí)間較少，為學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)以及實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)帶來(lái)了時(shí)間和空間上的限制。

• 評(píng)價(jià)體系不完善，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的外在動(dòng)力。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，評(píng)定成績(jī)主要以學(xué)生演示、教師驗(yàn)收的形式為主，效率較低，且在班級(jí)人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)間緊的情況下無(wú)法逐一考核，導(dǎo)致部分學(xué)生缺乏外在學(xué)習(xí)動(dòng)力，不利于促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行有效學(xué)習(xí)。
• 教學(xué)設(shè)施的管理問(wèn)題。以S7-1200"系列PLC為例，設(shè)備通訊、編程接口為以太網(wǎng)接口，如PLC與計(jì)算機(jī)之間采用直連的連接方式，則無(wú)法進(jìn)行PLC通訊之類(lèi)的實(shí)驗(yàn)。為方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)廣播教學(xué)、不同PLC設(shè)備之間通訊、多個(gè)PLC協(xié)同控制、設(shè)備共享等功能，部分高校將所有相關(guān)設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)連接，以廣東技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院微機(jī)工控實(shí)驗(yàn)室為例，設(shè)備采用如圖1的連接方式，如學(xué)生不按要求設(shè)置PLC、觸摸屏等設(shè)備IP地址，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備IP地址沖突等問(wèn)題，出現(xiàn)類(lèi)似情況，依賴(lài)現(xiàn)有軟件主要是通過(guò)博途軟件的在線(xiàn)設(shè)備查找功能，通過(guò)比對(duì)設(shè)備實(shí)際MAC地址后修改相應(yīng)設(shè)備IP地址，效率較低。

2智能制造工業(yè)4.0時(shí)代下“PLC實(shí)踐教學(xué)體系”探索

為改善當(dāng)前PLC實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，廣東技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院PLC實(shí)踐課程教學(xué)相關(guān)人員根據(jù)智能制造工業(yè)4.0時(shí)代下的人才需求，對(duì)PLC實(shí)踐教學(xué)改革內(nèi)容進(jìn)行了探索，通過(guò)課內(nèi)夯實(shí)基礎(chǔ)、仿真平臺(tái)自由訓(xùn)練、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展提高、綜合實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)與市場(chǎng)接軌的方式進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)體系搭建，優(yōu)化后的實(shí)踐教學(xué)體系如圖2所示，以面向智能制造工業(yè)4.0現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)為立足點(diǎn)，結(jié)合虛擬技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)、理念對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行改革，保障教學(xué)質(zhì)量，探索PLC實(shí)踐教學(xué)體系改革方案，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、增強(qiáng)學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)、提高學(xué)生核心競(jìng)爭(zhēng)力。優(yōu)化的實(shí)踐后的實(shí)踐教學(xué)體系主要包括以下幾個(gè)部分：

（1）"課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)：以夯實(shí)基礎(chǔ)為目的，通過(guò)演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟悉掌握PLC編程軟件的工程創(chuàng)建、配置、程序編寫(xiě)、下載、調(diào)試等步驟，能根據(jù)實(shí)際硬件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)配置，了解程序調(diào)試的基本方法，會(huì)使用在線(xiàn)監(jiān)控功能實(shí)時(shí)查看程序運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)輸入輸出值、變量狀態(tài)等快速定位和調(diào)試程序錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)任務(wù)從簡(jiǎn)單的輸入輸出控制開(kāi)始（如電動(dòng)機(jī)的“啟動(dòng)-停止-保持”控制程序），逐步過(guò)渡到相對(duì)復(fù)雜的順序控制、定時(shí)器指令、計(jì)數(shù)器指令應(yīng)用（如十字路口交通燈的控制），使學(xué)生具備基本的PLC實(shí)踐操作能力。

（2）"仿真平臺(tái)任務(wù)：通過(guò)“PLCSIM仿真調(diào)試軟件”“工業(yè)自動(dòng)化仿真軟件”聯(lián)合調(diào)試的方法，學(xué)生可以通過(guò)編寫(xiě)PLC程序來(lái)控制虛擬工廠中的設(shè)備，在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的虛擬環(huán)境中進(jìn)行編程和調(diào)試，實(shí)驗(yàn)任務(wù)可以更為自由、靈活，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，有利于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)創(chuàng)新思維。

（3）"開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室：學(xué)生在完成基礎(chǔ)的課堂實(shí)驗(yàn)后，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室為希望深入學(xué)習(xí)PLC的同學(xué)提供了繼續(xù)探索的機(jī)會(huì)。鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)實(shí)踐技能進(jìn)行鞏固提升，如觸摸屏直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、三相電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速、溫度控制系統(tǒng)等綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生對(duì)PLC編程邏輯、系統(tǒng)集成和故障診斷等高級(jí)技能的掌握能有更為深入的理解。

（4）"綜合實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)：以與市場(chǎng)需求接軌為目的，讓學(xué)生了解當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域中的需求與解決方案，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)踐，通過(guò)虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景，在需求分析與規(guī)劃、虛擬仿真平臺(tái)選擇、三維建模與場(chǎng)景構(gòu)建、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編程、物理與邏輯行為關(guān)聯(lián)、虛擬測(cè)試與調(diào)試等環(huán)節(jié)中鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，讓學(xué)生在實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中深入了解行業(yè)需求，與市場(chǎng)接軌。

3“PLC實(shí)踐教學(xué)體系”改革效益分析

（1）"促進(jìn)學(xué)生對(duì)PLC相關(guān)知識(shí)的理解，提高其編程技能。通過(guò)“PLC實(shí)踐教學(xué)體系”改革創(chuàng)新，學(xué)生進(jìn)行PLC實(shí)踐項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式更為自由靈活，除演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，學(xué)生需要自己圍繞一個(gè)具體的工程項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索，在自己查閱資料、解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中對(duì)PLC相關(guān)知識(shí)能有更為深入的理解，在探索中提高編程技能。

（2）"促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)與行業(yè)需求的緊密對(duì)接。綜合實(shí)踐類(lèi)項(xiàng)目要求學(xué)生按照行業(yè)需求場(chǎng)景進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，學(xué)生需了解行業(yè)需求，規(guī)劃項(xiàng)目技術(shù)路線(xiàn)，項(xiàng)目中需要解決的技術(shù)難點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)設(shè)備基本類(lèi)似，學(xué)生能從中得到類(lèi)似企業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，與行業(yè)需求形成緊密對(duì)接。

（3）"促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。除演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，學(xué)生需要自行選擇、設(shè)計(jì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與熱情更高，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行探索、嘗試，讓學(xué)生深刻體會(huì)到一個(gè)新想法或思路從萌生到實(shí)施的全過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，促使學(xué)生有意識(shí)地去提升自己的實(shí)踐創(chuàng)新能力，為參與PLC相關(guān)競(jìng)賽、考取PLC技能證書(shū)奠定基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了PLC實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，結(jié)合廣東技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院PLC實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題提出了“PLC實(shí)踐教學(xué)體系”的改革創(chuàng)新思路，通過(guò)課內(nèi)“夯實(shí)基礎(chǔ)”、仿真平臺(tái)“自由訓(xùn)練”、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室“擴(kuò)展提高”、綜合實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)“與市場(chǎng)接軌”四個(gè)部分從“入門(mén)使用”逐步提升到“實(shí)際應(yīng)用”，使學(xué)生對(duì)PLC的應(yīng)用背景、行業(yè)需求、個(gè)人技能要求能有較深認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)初步探索與實(shí)踐，“PLC實(shí)踐教學(xué)體系”改革具有一定成效，近幾年選用PLC進(jìn)行畢業(yè)論文設(shè)計(jì)的學(xué)生數(shù)量居高不下，PLC實(shí)驗(yàn)室的課外開(kāi)放使用率較高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備得到了有效充分利用，參與PLC技能競(jìng)賽的學(xué)生人數(shù)也有了顯著提升。

參考文獻(xiàn)：

• 李冬冬，石科.工業(yè)4.0視角下PLC系統(tǒng)的優(yōu)化策略[J].化工管理，2024（12）：93-97.
• 吳躍飛."智能制造工業(yè)4.0時(shí)代下電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)方法與實(shí)踐改革探索[J]."學(xué)周刊，2021，25（25）：7-8."
• 陳曉華，王占山，柏余杰，等."雙高建設(shè)背景下PLC應(yīng)用與實(shí)踐課程教學(xué)改革探索[J]."中國(guó)設(shè)備工程，2024（11）：23-25."
• 趙永信，巴澤浩，黎玲萍，等."基于數(shù)字孿生技術(shù)的\"PLC應(yīng)用技術(shù)\"課程教學(xué)改革實(shí)踐[J]."裝備制造技術(shù)，2023（12）：91-93.
• 黃淑琴，張亞萍.PLC技術(shù)課程的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)探究[J].泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，24（02）：22-24.

基金項(xiàng)目：2022年廣東省高等教育學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室管理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)基金項(xiàng)目（智能制造工業(yè)4.0時(shí)代下“PLC實(shí)踐教學(xué)體系”探索與研究，項(xiàng)目編號(hào)：GDJ2022028）；2022年廣東技術(shù)師范大學(xué)“實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室安全建設(shè)管理改革專(zhuān)項(xiàng)”項(xiàng)目（漸進(jìn)式開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室安全管理體系探索-以“微機(jī)工控實(shí)驗(yàn)室”為例）；2021年度廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題（工科大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)探索與實(shí)，項(xiàng)目編號(hào)：2021GXJK290）；2022年廣東技術(shù)師范大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（以工科大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的“單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)體系”探索與實(shí)踐，項(xiàng)目編號(hào)：JGYB202255）

作者簡(jiǎn)介：莊鑫財(cái)（1990—"），男，漢族，廣東惠來(lái)人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置方面教學(xué)與研究。