基于PLC實驗平臺的實訓(xùn)項目開發(fā)及實施

杜麗敏，李學(xué)軍

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

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基于PLC實驗平臺的實訓(xùn)項目開發(fā)及實施

杜麗敏，李學(xué)軍

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

摘要：針對以往學(xué)生在PLC實踐環(huán)節(jié)中缺乏主動性和興趣等特點，設(shè)計了不同難易程度的實訓(xùn)項目，在項目開展中以學(xué)生為中心，把培養(yǎng)學(xué)生獨立完成實訓(xùn)內(nèi)容的構(gòu)思、設(shè)計、實施和操作作為主要目標(biāo)。實踐證明，學(xué)生通過對PLC IO口的分配、程序代碼的編寫、擴展電路板原理圖設(shè)計、調(diào)試等練習(xí)，更加敢于實踐和創(chuàng)新，達到了培養(yǎng)實踐型人才的目的。

關(guān)鍵詞：PLC；實訓(xùn)項目；實踐教學(xué)

1概述

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，PLC已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如開關(guān)量控制、過程控制、運動控制、遠程控制、數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)通信等，在工業(yè)控制裝置家族中PLC已占據(jù)了重要位置，成為自動化領(lǐng)域的三大技術(shù)支柱之一[1]。因此，PLC成為高等院校電氣控制專業(yè)非常重要的一門必修課。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要側(cè)重于理論教學(xué)，而PLC課程特點更偏重實踐應(yīng)用。為使學(xué)生對于PLC有一個更深入的了解以及培養(yǎng)學(xué)生較強的實踐能力，PLC教學(xué)實驗平臺也在不斷地被開發(fā)和利用，目前已有大量的PLC教學(xué)實驗設(shè)備進入到高等院校?；赑LC實驗平臺，各高校也設(shè)置了多種不同的實訓(xùn)項目，但是學(xué)生的實踐能力沒有得到實質(zhì)性的提高。分析其原因主要有兩個：一是學(xué)生缺乏自主性和創(chuàng)造性。PLC實驗平臺附帶很多實驗擴展板，學(xué)生只需對實驗平臺及擴展電路板進行插拔式的接線操作，導(dǎo)致學(xué)生被動接受的內(nèi)容多、思考少、實踐效果較弱[2]；二是實驗平臺數(shù)量和實訓(xùn)時間有限。PLC實驗平臺投資較大，因此高校所購買的實驗平臺數(shù)量有限，如何在有限的時間和有限的實驗平臺上取得更好的實踐效果，在實訓(xùn)項目的選擇和實施的方法上目前還存在一定的問題。

本文將以學(xué)生為中心，從學(xué)生自身的特點出發(fā)來開設(shè)不同難易程度的實訓(xùn)項目，倡導(dǎo)循序漸進、從興趣培養(yǎng)的教學(xué)理念。即從實踐一個簡單的PLC設(shè)計開始，建立起學(xué)生的實踐興趣，然后逐漸過渡到一個復(fù)雜的PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。每個實訓(xùn)項目要求學(xué)生要熟練掌握PLC控制系統(tǒng)從內(nèi)容構(gòu)思、設(shè)計、實施到操作的整個過程。了解了一個PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的要領(lǐng)，可使學(xué)生在以后的工作中能夠舉一反三，完成更多的實踐任務(wù)。實踐證明，采取本文所設(shè)置的實訓(xùn)項目和提出的實踐教學(xué)方法，多數(shù)學(xué)生都更加敢于實踐和創(chuàng)新，從本質(zhì)上提高了學(xué)生的專業(yè)能力，達到了培養(yǎng)社會所需要的實踐型人才的目的。

2項目開發(fā)及實施

實訓(xùn)項目的設(shè)置遵照由簡單到復(fù)雜，循序漸進的原則，可研制為初級實訓(xùn)項目、中等難度實訓(xùn)項目和高難度綜合實訓(xùn)項目。每一級別的實訓(xùn)項目又有多個不同題目，涉及到當(dāng)前PLC常用的應(yīng)用領(lǐng)域，覆蓋了PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、常用軟件、基本指令和常用功能，實現(xiàn)了PLC的模擬量控制、數(shù)字量控制、運動控制等。

PLC實驗方法有兩種，一種是用PLC實驗平臺和附帶的各種工業(yè)控制模塊進行實驗和應(yīng)用程序的開發(fā)；另一種是用PLC實驗平臺和自行開發(fā)的控制模塊進行實驗和應(yīng)用程序的開發(fā)。實驗裝置附帶的各種工業(yè)控制模塊可以很形象的模擬工業(yè)現(xiàn)場控制，學(xué)生只需完成一些導(dǎo)線的插拔連接和語言代碼的編寫工作，為PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)節(jié)省了大量時間。學(xué)生可在有限的時間內(nèi)完成更多的實訓(xùn)項目，但同時這也帶來了一定的弊端，即學(xué)生的PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計能力培養(yǎng)較少。而第二種實驗方法，可培養(yǎng)學(xué)生對于一個PLC控制系統(tǒng)的整體設(shè)計能力，可是擴展的控制模塊開發(fā)需要更多的時間，致使學(xué)生在有限的課時內(nèi)只能完成部分實訓(xùn)項目。另外擴展模塊的設(shè)計，需購買各種芯片、元器件等耗材，這將需要更多資金投入，對于多數(shù)高校又是不可行的。權(quán)衡一下利弊，可采取兩種方法的結(jié)合，為使學(xué)生完全掌握一個PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的全過程，培養(yǎng)學(xué)生的軟硬件整體設(shè)計能力，可選擇一到兩個實驗，學(xué)生自己設(shè)計擴展模塊，且這類實驗擴展部分所需成本較低，學(xué)校有能力提供給每個人這部分開發(fā)的資金；其他的實驗可使用現(xiàn)成的開發(fā)模塊，以使學(xué)生了解PLC在更多領(lǐng)域中的應(yīng)用。

PLC實訓(xùn)項目遵照由易到難、循序漸進的原則來進行，完成的目標(biāo)如表1所示。首先進行初級實訓(xùn)項目，要求熟練掌握PLC的基本結(jié)構(gòu)、PLC的編程環(huán)境及常用梯形圖指令代碼；然后進行中等實訓(xùn)項目，在這一環(huán)節(jié)，設(shè)置了多個PLC應(yīng)用實例，要求學(xué)生能夠完成一個PLC電氣控制系統(tǒng)的整體設(shè)計，對PLC在多個領(lǐng)域中的應(yīng)用和地位有一個初步的認(rèn)識；最后進行高難度綜合實訓(xùn)項目，對于一個稍復(fù)雜的PLC控制系統(tǒng)，學(xué)生應(yīng)能給出設(shè)計方案，在有限的時間內(nèi)可選擇獨立完成或者按照模塊分工完成該實訓(xùn)項目。完成了整個實訓(xùn)項目，學(xué)生實踐能力將會得到很大提升。

表1　PLC實訓(xùn)項目級別及教學(xué)目標(biāo)

2.1初級實訓(xùn)項目開發(fā)與實施

首先研究PLC指令系統(tǒng)的基本操作方法，然后進行PLC的一些簡單的練習(xí)實驗，以熟悉PLC的基本結(jié)構(gòu)及簡單應(yīng)用。由此，初級實訓(xùn)項目可開設(shè)3個實驗為入門練習(xí)：(1)編程環(huán)境及基本實驗步驟的熟悉；( 2)LED燈控制；(3)繼電器的控制等。

在這里，有必要進一步強調(diào)一下初級實訓(xùn)項目設(shè)置的必要性。在與學(xué)生的交流中我們發(fā)現(xiàn)，即便是平時學(xué)習(xí)成績較好的學(xué)生，在面對實踐環(huán)節(jié)時也會產(chǎn)生畏懼。其主要原因就是在以往的實踐教學(xué)中，往往不會安排如此簡單的實訓(xùn)項目，而對于稍復(fù)雜的實訓(xùn)題目，學(xué)生從理論的學(xué)習(xí)到實踐的轉(zhuǎn)變沒有過渡過程，因為題目較難，學(xué)生就不能獨立完成，導(dǎo)致學(xué)生在實踐開始就失去了興趣，之后所有的實訓(xùn)項目也就失去了信心。我們設(shè)置的初級實訓(xùn)項目是所有實訓(xùn)項目的基礎(chǔ)部分，梯形圖語言代碼可能只有兩三行，需要學(xué)生連接的導(dǎo)線也只有幾根，擴展模塊中器件只有LED燈或者繼電器等，因此學(xué)生對于該類實訓(xùn)項目無論從構(gòu)思、設(shè)計還是最后的實施和操作基本上都能獨立完成，由此，學(xué)生對于PLC應(yīng)用及如何設(shè)計有了一定的初步了解，同時也建立起了興趣和信心。實踐證明，有了信心，建立起了積極性，學(xué)生在面對較難的實訓(xùn)題目時也不再畏懼，他們更加敢于去實踐，只有敢于實踐，才能在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，獲得更多的實踐經(jīng)驗。

一、編程環(huán)境及基本實驗步驟的熟悉

本實驗應(yīng)完成以下任務(wù)：(1)熟悉使用PLC編程軟件，了解PLC實驗裝置的組成；(2)掌握用戶程序的輸入和編輯方法；(3)熟悉基本指令的應(yīng)用及梯形圖程序的編寫。

項目實施：完成此實驗需兩個階段，第一階段是課后練習(xí)。實驗之前，教師應(yīng)提供與PLC編程環(huán)境及語言相關(guān)的資料，學(xué)生安裝編程軟件，并在課后熟練掌握PLC編程環(huán)境及編程語言；第二階段是課上練習(xí)。教師應(yīng)向?qū)W生介紹PLC實驗平臺的組成、PLC輸入輸出單元、程序下載方式等，學(xué)生應(yīng)完成程序代碼的編寫、下載及運行。

二、 LED燈的控制、繼電器的控制

熟悉了編程環(huán)境，學(xué)生可接觸PLC的基本結(jié)構(gòu)及簡單的應(yīng)用。PLC是一個控制系統(tǒng)的控制器，基于PLC的各種控制系統(tǒng)，都要將輸入輸出設(shè)備與PLC連接。常見的PLC輸入設(shè)備有開關(guān)、按鈕、各種傳感器等，輸出設(shè)備有繼電器、接觸器、電磁閥等。LED燈的控制、繼電器的控制等實訓(xùn)項目的安排，可使學(xué)生掌握PLC輸入輸出點及與上述輸入輸出設(shè)備的正確連接，從而對PLC基本結(jié)構(gòu)有一個基本的掌握。

PLC實訓(xùn)項目練習(xí)均要求完成以下任務(wù)。(1) IO口的分配；(2)梯形圖程序代碼的編寫；(3)擴展模塊設(shè)計、器件選擇和焊接；(4)實驗平臺及與擴展模塊連線；(5)程序下載及調(diào)試；(6)撰寫實驗報告等。LED燈、繼電器的控制和后面介紹的中等實訓(xùn)項目要求完成任務(wù)三的工作，而高難度綜合實訓(xùn)項目可按照實際情況選擇使用已有的開發(fā)模塊。

項目實施：提供實驗所需的擴展面板、LED燈、繼電器、導(dǎo)線、電烙鐵、萬用表等。題目及任務(wù)課上給定，現(xiàn)場設(shè)計。根據(jù)實驗裝置數(shù)量，可選擇3~5人使用一臺實驗平臺。為保證實驗有效進行，較優(yōu)秀的學(xué)生應(yīng)先進行實驗，其他成員可選擇在練習(xí)紙上編寫程序代碼和設(shè)計擴展模塊等。為防止學(xué)生之間相互抄襲，同時啟發(fā)學(xué)生的各種創(chuàng)新的思想，在IO口的分配、擴展模塊和編程語言的設(shè)計上教師可給出不同的要求。此類項目是學(xué)生必須完成的環(huán)節(jié)，在實踐的過程中教師要注意觀察每個學(xué)生，并能正確的引導(dǎo)學(xué)生，使學(xué)生能更好的完成從理論學(xué)習(xí)到實踐學(xué)習(xí)的過渡，掌握一個簡單的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。

考核評定部分：考核分成兩部分，一是實踐部分，二是報告撰寫部分。實踐環(huán)節(jié)評定應(yīng)考慮內(nèi)容構(gòu)思、設(shè)計、實施和操作四個方面。傳統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)成績評定基本上只考慮實踐結(jié)果和完成實踐所花費的時間的多少，由此帶來一些弊端，多數(shù)學(xué)生為了快速的完成實驗，照搬照抄較多，思考較少，對于一些較好的學(xué)生，整個實驗過程也是保持著緊張的狀態(tài)，這種傳統(tǒng)的實踐方法沒有給予學(xué)生創(chuàng)新的機會，沒有讓學(xué)生深深的體會到實踐的樂趣，這也是導(dǎo)致傳統(tǒng)的實踐效果不佳的原因之一。因此從考核環(huán)節(jié)，我們要注意，不要過多的強調(diào)結(jié)果，而是注意實踐的整個過程，給予學(xué)生更加放松、更多思考的空間，以培養(yǎng)學(xué)生敢于實踐、樂于實踐的心理，從本質(zhì)上提高學(xué)生的實踐能力。

2.2中等難度實訓(xùn)項目開發(fā)與實施

經(jīng)過一些高等院校相關(guān)專業(yè)調(diào)研[3]，中等難度實訓(xùn)項目可以設(shè)置為4個實驗練習(xí)：(1)霓虹燈的控制；(2)噴泉的模擬控制；(3)密碼鎖的設(shè)計；(4)交通燈的控制等。上述實訓(xùn)項目涉及到更多的PLC語言代碼的編寫，以及更加復(fù)雜的邏輯關(guān)系的處理。在此環(huán)節(jié)，學(xué)生將更深入一步的了解到PLC在電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及對于PLC控制系統(tǒng)如何設(shè)計有一個更清楚的認(rèn)識。

項目實施：現(xiàn)場布置題目并給出控制要求，3~5人使用一臺實驗裝置，現(xiàn)場設(shè)計。根據(jù)個人能力及時間的要求，學(xué)生可完成部分控制功能。以霓虹燈的控制為例，控制要求是選擇多種模式閃爍，模式不少于4種，其中水波紋、旋轉(zhuǎn)兩種模式必須完成。如果時間有限，可實現(xiàn)部分模式閃爍功能，但對其控制系統(tǒng)的整體設(shè)計，即前面所提到的擴展模塊的設(shè)計、語言代碼的編寫，以及最后的接線、調(diào)試運行的步驟缺一不可。整個實踐過程以學(xué)生為主導(dǎo)，教師給予適當(dāng)引導(dǎo)，學(xué)生之間可以相互交流，從而啟發(fā)學(xué)生思考。實踐中教師要鼓勵學(xué)生舉一反三和創(chuàng)新，不要給與學(xué)生過多的壓力，讓學(xué)生在興趣中完成實訓(xùn)鍛煉。

考核評定部分同初級實訓(xùn)項目。

2.3高難度綜合實訓(xùn)項目開發(fā)與實施

高難度綜合實訓(xùn)項目所涉及的范圍包括復(fù)雜通信協(xié)議的實現(xiàn)、PID數(shù)字控制算法的實現(xiàn)、數(shù)字濾波器的實現(xiàn)等幾大類。因此實訓(xùn)項目可設(shè)置5個實驗練習(xí)：(1)溫度的檢測和控制；(2)電機轉(zhuǎn)速控制；(3)電梯的控制；(4)網(wǎng)絡(luò)通訊；(5)數(shù)字濾波器設(shè)計等。上述部分實驗需要更多的實驗材料，比如電機轉(zhuǎn)速控制和電梯控制等，但這部分實驗，基本上實驗平臺已提供，為節(jié)省實驗成本，學(xué)生可直接采用，而不用再另行設(shè)計。

項目實施：這類項目涉及到多學(xué)科領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，設(shè)計較復(fù)雜，多數(shù)學(xué)生并不能在有限的課上時間來完成，教師可將題目和要求提前布置給學(xué)生，并對學(xué)生進行分組，往往項目都由多個模塊組成，每組按照不同模塊進行分工。以電梯控制為例，可分配1人負(fù)責(zé)電梯轎廂控制，1人負(fù)責(zé)電梯門控制，1人專門負(fù)責(zé)PID控制算法的設(shè)計等。每組成員及不同組的成員之間在設(shè)計的過程中可以進行相互交流，對于好的設(shè)計思路彼此可以借鑒。課后完成了設(shè)計之后，就可以在實驗平臺上進行驗證了，在此過程中，教師對于學(xué)生的設(shè)計要給出自己的看法和觀點，找到不同組學(xué)生之間設(shè)計的區(qū)別和存在的問題。由于這類實訓(xùn)項目涉及到了本專業(yè)多學(xué)科領(lǐng)域的知識，甚至涉及到當(dāng)前PLC應(yīng)用的前沿，學(xué)生的設(shè)計方案也不盡相同，教師能否做到更好的指導(dǎo)學(xué)生，這對于教師來講也是一個很大的考驗，教師應(yīng)事先做好充足的準(zhǔn)備。同時教師也應(yīng)具有一種向?qū)W生學(xué)習(xí)的良好心態(tài)，參與到學(xué)生的設(shè)計當(dāng)中，取其所長，這樣教師和學(xué)生的能力都將會得到提升。

考核評定部分：盡管每個學(xué)生只完成了部分設(shè)計，但是要求學(xué)生上交完整的設(shè)計方案。即教師在對學(xué)生考核時重點評定本人設(shè)計部分，對于非本人設(shè)計的部分也要要求他們了解其設(shè)計原理。至于成績的給定原則同初級實訓(xùn)項目，即從內(nèi)容構(gòu)思、設(shè)計、實施和操作四個方面來考核。但補充一點，對敢于創(chuàng)新的同學(xué)應(yīng)給出更高的評價，無論其方案是否做到最好，這樣做的目的是避免學(xué)生在課后的設(shè)計中完全參照參考資料，如果這樣，學(xué)生的能力培養(yǎng)達不到預(yù)期的效果。

在分組完成的實訓(xùn)項目中，既完成了個人實踐能力的培養(yǎng)，又讓學(xué)生看到了一個集體的合作力量，認(rèn)識到團隊合作意識的重要性?？傊瑢τ谳^難的實訓(xùn)項目都可以采納這種方式來完成。

3結(jié)論

針對PLC實訓(xùn)教學(xué)方法陳舊，學(xué)生被動接受的內(nèi)容多，主動研究機會少，且學(xué)生不敢于實踐等問題，本文設(shè)計了不同難易程度的實訓(xùn)項目，提倡由易到難、從興趣培養(yǎng)開始、以學(xué)生為中心的實踐教學(xué)方法。結(jié)果表明，學(xué)生的實踐能力有了很大的提升，從PLC基本結(jié)構(gòu)的了解到最終學(xué)會了一個復(fù)雜電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，從不敢于實踐到最終的敢于創(chuàng)新，在本質(zhì)上提升了學(xué)生的實踐能力，達到了培養(yǎng)實踐型人才的目的。

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責(zé)任編輯：程艷艷

Development and Implementation of Training Projects Based on PLC Experiment Platform

DU Limin, LI Xuejun

(College of Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

Abstract：In view of the problem that students are lack of initiative and interest in PLC practice, this paper designs the training projects with different difficult degrees, trying to cultivate the students to finish the conception, design, implementation and operation of training contents with the student-centered idea. It is proved that the students are more dared to practice and innovate through the PLC IO port assignment, program code writing, expansion circuit board principle diagram design and debugging, achieving the purpose of training practice-oriented talents.

Keywords：PLC; training project; practical teaching

中圖分類號：TP273

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-3907(2016)02-0001-03

作者簡介：杜麗敏(1980-)，女，遼寧昌圖人，講師，博士，主要從事伺服控制方面研究。

基金項目：吉林省教育廳資助項目(SJYB14-04)

收稿日期：2015-10-28