《電氣控制與PLC應(yīng)用》課堂教學(xué)模式探索與教材建設(shè)

王亭嶺 熊軍華 周玉

摘 要：到激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和縮短掌握“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程的學(xué)習(xí)時(shí)間，文章探索出多樣化的課堂教學(xué)模式，以項(xiàng)目教學(xué)法為核心，并將其貫徹于課堂教學(xué)的始終，同時(shí)在課堂講授時(shí)輔以動(dòng)畫(huà)演示與PLC仿真，并不斷豐富自編教材體系及逐步完善校內(nèi)精品課程建設(shè)，以促進(jìn)學(xué)生自主牢固地掌握本門(mén)課程的相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式；項(xiàng)目教學(xué)法；PLC仿真；教材建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）02-0084-03

Abstract： In order to stimulate the learning interest and shorten the learning times of the course of "the Electrical Control and PLC Application"， a variety of classroom teaching modes were explored. The project teaching method was chosen as the core， and it was carried out in the classroom teaching with the animation demo and the PLC simulation. And the teaching material system was continuously enriched and the construction of school quality course was gradually improved to promote students to firmly grasp the relevant knowledge of this course.

Keywords： Teaching mode； project teaching method； PLC simulation； construction of teaching materials

引言

可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）技術(shù)脫胎于繼電-接觸器控制技術(shù)，二者具有很強(qiáng)的繼承性和互補(bǔ)性。目前很多高等院校將兩種技術(shù)合在一起講授，課程名稱(chēng)為“電氣控制與PLC應(yīng)用”。該課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析及應(yīng)用能力具有十分重要的作用。該課程將硬件電路設(shè)計(jì)和軟件應(yīng)用程序設(shè)計(jì)相結(jié)合，涉及知識(shí)面廣泛，包括各種低壓電器組成的繼電-接觸器控制系統(tǒng)、PLC的結(jié)構(gòu)與原理、PLC程序編寫(xiě)技能、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并涵蓋了微型計(jì)算機(jī)控制和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容[1]。

對(duì)于高校教師而言，課堂教學(xué)的過(guò)程就是教師通過(guò)課堂活動(dòng)實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)、共同發(fā)展的過(guò)程。教師要不斷提高自身的教育教學(xué)技能，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)行為，鼓勵(lì)學(xué)生參與課堂教學(xué)過(guò)程，并具有高效講授及交流技巧，能進(jìn)行引導(dǎo)式、啟發(fā)式提問(wèn)，能熟練使用多媒體工具輔助教學(xué)，具有較強(qiáng)的親和力和對(duì)課堂的創(chuàng)新能力等。針對(duì)“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程的特點(diǎn)，結(jié)合近十年來(lái)講授該課程的心得，不斷探索課堂教學(xué)模式的改革，大力加強(qiáng)教材建設(shè)，以期達(dá)到事半功倍的效果。

探索課堂教學(xué)模式重點(diǎn)圍繞培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力，貫徹基于工程應(yīng)用，以工程項(xiàng)目為載體，理論聯(lián)系實(shí)踐的基本思路，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性。將項(xiàng)目教學(xué)法貫徹始終，并在課堂講授時(shí)輔以PLC仿真軟件，采用多樣化的考核方式，促進(jìn)學(xué)生自主牢固地掌握“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)為學(xué)生開(kāi)辟了第二課堂，建立較為全面的教學(xué)資源庫(kù)，制作生動(dòng)的教學(xué)課件、設(shè)計(jì)完備的試題庫(kù)、教學(xué)仿真模型及工程項(xiàng)目的應(yīng)用程序等。

一、項(xiàng)目教學(xué)法貫徹始終

項(xiàng)目教學(xué)法以課題模塊為單元，以項(xiàng)目為主線(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的項(xiàng)目，將書(shū)本重要的知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目中，讓學(xué)生在實(shí)踐操作中掌握抽象的理論知識(shí)[2]。教師在講授時(shí)可以不按授課教材原有章節(jié)的順序開(kāi)展教學(xué)，項(xiàng)目教學(xué)法極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)效果獲得督導(dǎo)專(zhuān)家和學(xué)生的一致好評(píng)。按照項(xiàng)目教學(xué)法，“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

項(xiàng)目教學(xué)法可根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)授課課時(shí)的多少對(duì)圖1中五大模塊中的項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的刪減。盡管可編程控制器技術(shù)發(fā)展了幾十年，但仍然不能取代繼電-接觸器控制系統(tǒng)，如接觸器的主觸點(diǎn)是控制電氣主回路，PLC一般只工作在控制回路，且智能化可通信低壓電器也不斷在發(fā)展。模塊1繼電-接觸器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析是基礎(chǔ)，成熟的技術(shù)不代表陳舊。掌握繼電-接觸器控制系統(tǒng)對(duì)理解PLC技術(shù)及應(yīng)用十分重要。

模塊2講解S7-200系列PLC結(jié)構(gòu)與工作原理，其中項(xiàng)目1為專(zhuān)業(yè)與通用計(jì)算機(jī)異同，各高校開(kāi)設(shè)的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”一般先于“電氣控制與PLC應(yīng)用”，因此，復(fù)習(xí)先前開(kāi)設(shè)的課程有助于掌握PLC的結(jié)構(gòu)。針對(duì)計(jì)算機(jī)由五大部分組成（運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備）這一經(jīng)典結(jié)構(gòu)，可以快速理解PLC的結(jié)構(gòu)。PLC屬于專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)的范疇，專(zhuān)業(yè)主要體現(xiàn)在I/O接口單元上，控制特征更明顯。隨著PLC性能的不斷提升，計(jì)算能力也越來(lái)越強(qiáng)，功能指令也就越來(lái)越豐富，功能指令可以借助高級(jí)語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)加以理解。PLC循環(huán)掃描的工作機(jī)理也可以借助計(jì)算機(jī)的知識(shí)來(lái)理解。PLC的系統(tǒng)程序類(lèi)似于計(jì)算機(jī)的BIOS（基本的輸入輸出系統(tǒng)），是管理硬件層的操作系統(tǒng)，這個(gè)操作系統(tǒng)設(shè)置成定時(shí)循環(huán)掃描用戶(hù)編寫(xiě)的PLC程序。這就是為什么PLC主程序中沒(méi)有類(lèi)似于C語(yǔ)言中的while（1）{...}語(yǔ)句，仍然可以定時(shí)循環(huán)執(zhí)行PLC程序。

模塊3講解S7-200系列PLC指令系統(tǒng)，梯形圖編程語(yǔ)言借助電氣控制原理圖一般比較容易掌握，但要深入學(xué)習(xí)PLC技術(shù)，搭建復(fù)雜的PLC控制系統(tǒng)，不掌握語(yǔ)句表編程語(yǔ)言會(huì)顯得力不從心，有些通信協(xié)議接口程序的編寫(xiě)是非采用語(yǔ)句表編程不可。語(yǔ)句表編程語(yǔ)言類(lèi)似于匯編語(yǔ)言，尤其是大量的功能指令，其助記符與匯編語(yǔ)言十分相似，略具計(jì)算機(jī)知識(shí)的人不難記憶。功能指令實(shí)際上是廠(chǎng)商為滿(mǎn)足各種客戶(hù)的特殊需要而開(kāi)發(fā)的通用子程序。

模塊4講解S7-200系列PLC設(shè)計(jì)與應(yīng)用，每個(gè)項(xiàng)目綜合多個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。如項(xiàng)目3用PT100 RTD測(cè)量溫度，并用TD200顯示溫度，學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)包括：模擬量擴(kuò)展模塊EM235的配置、模/數(shù)格式轉(zhuǎn)換、標(biāo)度變換、TD200的使用等。

模塊5講解S7-200系列PLC網(wǎng)絡(luò)與通信，難點(diǎn)是上位機(jī)和PLC的雙向通信。上位機(jī)PC與PLC通信時(shí)，為了避免各方爭(zhēng)用通信線(xiàn)路，常常采用主從結(jié)構(gòu)的工作方式，首先應(yīng)由主機(jī)主動(dòng)發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，從機(jī)收到請(qǐng)求報(bào)文后便可以返回響應(yīng)信息。

二、仿真教學(xué)法形象生動(dòng)

講解“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程中的電氣原理圖和電氣接線(xiàn)圖時(shí)，抽象死板的圖紙，對(duì)于基本知識(shí)掌握不夠好的學(xué)生較難接受，理解能力強(qiáng)的學(xué)生相對(duì)較易掌握。對(duì)照?qǐng)D紙講解原理，無(wú)論講的多么形象生動(dòng)，不管針對(duì)何種學(xué)生，仍難以擺脫照本宣科的套路。如果能將死板的電氣原理圖和電氣接線(xiàn)圖做成Flash動(dòng)畫(huà)，在講解時(shí)可以人為操作某些按鈕、開(kāi)關(guān)，讓電路圖“動(dòng)”起來(lái)，這樣學(xué)生既容易理解，又能提高學(xué)習(xí)積極性。

對(duì)于PLC部分，教學(xué)時(shí)難免要講解抽象的工作原理和枯燥的PLC指令，此時(shí)可借助PLC的仿真軟件，將理論講解與仿真演示結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生更好的理解PLC的循環(huán)掃描的工作原理和指令的功能。如西門(mén)子S7-200系列PLC，可先用STEP7-Micro/WIN軟件進(jìn)行編程，編好后把主程序和子程序一起導(dǎo)出，再送到S7-200 PLC硬件模擬軟件仿真運(yùn)行。

S7-200仿真軟件不是西門(mén)子公司提供給用戶(hù)學(xué)習(xí)的，是由于S7-200系列PLC的全球廣泛使用，促使國(guó)外PLC愛(ài)好者編寫(xiě)的。使用該仿真軟件學(xué)習(xí)S7-200 PLC可以大大節(jié)省硬件成本和縮短學(xué)習(xí)時(shí)間。目前，國(guó)內(nèi)已將各種版本的仿真軟件漢化，其V3.0版可以對(duì)S7-200編程軟件STEP7-Micro/WIN V4.0編寫(xiě)的程序仿真。仿真軟件不能直接接收S7-200的程序代碼，必須用編程軟件的“導(dǎo)出”功能將S7-200的用戶(hù)程序轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展名為“.awl”的ASCII文本文件，然后再下載到仿真PLC中去執(zhí)行。最新版本的仿真軟件仍然不能對(duì)S7-200的全部指令和全部功能仿真。該軟件不需要安裝，運(yùn)行文件夾中的“S7-200.exe”文件打開(kāi)即可。

三、加強(qiáng)教材建設(shè)

華北水利水電大學(xué)陳建明、王亭嶺編著的教材《電氣控制與PLC應(yīng)用》從2006年至2014年共計(jì)出版3次。2005年以前“電氣控制技術(shù)”與“可編程控制器技術(shù)（PLC）”在很多高校是作為獨(dú)立的兩門(mén)課程分別講授的，所用教材也是各不相同。隨著高校課程改革，課程學(xué)時(shí)的壓縮，“電氣控制技術(shù)”與“可編程控制器技術(shù)”合二為一，但國(guó)內(nèi)卻很少有綜合二者技術(shù)的相關(guān)教材。2005年初至2006年初，課題組經(jīng)過(guò)一年的探索和總結(jié)，《電氣控制與PLC應(yīng)用》第1版于2006年2月由電子工業(yè)出版社正式出版。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)十幾家院校使用獲得一致好評(píng)，同時(shí)也提出了許多寶貴意見(jiàn)，并在2010年再版的《電氣控制與PLC應(yīng)用（第2版）》一并進(jìn)行了修訂，去掉了陳舊的內(nèi)容。為了更好的深入學(xué)習(xí)西門(mén)子S7系列PLC，打造一本專(zhuān)業(yè)的精品教材，去掉了三菱和歐姆龍的相關(guān)章節(jié)。

“電氣控制與PLC應(yīng)用”是綜合了繼電-接觸器控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、自動(dòng)控制和通信技術(shù)的一門(mén)新興技術(shù)，應(yīng)用十分廣泛。由于PLC技術(shù)脫胎于繼電-接觸器控制技術(shù)，兩者處于不同的發(fā)展階段，在理論和應(yīng)用上一脈相承[3，4]。因此本書(shū)在編寫(xiě)過(guò)程中力求做到：

一是講究實(shí)際。精心選取繼電-接觸器控制技術(shù)的內(nèi)容，刪掉工程實(shí)踐中不太常用的電機(jī)擴(kuò)大機(jī)及其控制系統(tǒng)、磁放大器和順序控制器的內(nèi)容，大幅增加應(yīng)用越來(lái)越廣泛的PLC的相關(guān)內(nèi)容。

二是強(qiáng)調(diào)應(yīng)用。側(cè)重介紹典型生產(chǎn)機(jī)械的繼電-接觸器控制線(xiàn)路和PLC工程實(shí)踐的應(yīng)用線(xiàn)路，重點(diǎn)介紹利用PLC對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的多種實(shí)用基本線(xiàn)路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的繼電接觸控制和PLC控制兩種線(xiàn)路對(duì)比分析。

三是方便教學(xué)。編寫(xiě)上堅(jiān)持深入淺出，循序漸進(jìn)，理論結(jié)合實(shí)際的原則，書(shū)后附有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，以便學(xué)生課后自學(xué)。本書(shū)較全面、系統(tǒng)地介紹了可編程序控制器及其應(yīng)用技術(shù)，并不斷進(jìn)行教學(xué)改革與課程建設(shè)的有益嘗試。鑒于上述這些特點(diǎn)，本書(shū)也便于有一定電氣技術(shù)基礎(chǔ)的人員自學(xué)。

為了適應(yīng)教學(xué)改革和科研實(shí)踐的需要，課題組對(duì)2010年出版的《電氣控制與PLC應(yīng)用（第2版）》進(jìn)行了全面的修訂。本次修訂，除保持本書(shū)深入淺出、系統(tǒng)性強(qiáng)、富有工程性以及便于自學(xué)的特點(diǎn)外，刪除了“S7-300和S7-400 PLC系統(tǒng)配置與編程”一章，縮編“STEP 7-Micro/WIN32編程軟件”一章成為4.4節(jié)，增加了“可編程控制器與電氣傳動(dòng)系統(tǒng)”一章，力求奉獻(xiàn)給讀者一本更專(zhuān)業(yè)、較完美的西門(mén)子S7系列PLC教科書(shū)[5]。2014年出版的《電氣控制與PLC應(yīng)用（第3版）》成功入選國(guó)家級(jí)普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材，“電氣控制與PLC應(yīng)用”系列教材目前已經(jīng)成為本行業(yè)經(jīng)典教材，被幾十家科研院所作為首選教材使用。

四、結(jié)束語(yǔ)

“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程是機(jī)電一體化類(lèi)、自動(dòng)化類(lèi)及電氣工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)選修課程。由于傳統(tǒng)教學(xué)方法無(wú)法適應(yīng)本門(mén)課程的課堂教學(xué)，因此在“電氣控制與PLC應(yīng)用”課程的日常教學(xué)中，實(shí)踐了多種新式的教學(xué)方法，如項(xiàng)目教學(xué)法、仿真教學(xué)法等，在今后的課程建設(shè)中也將不斷嘗試興趣小組教學(xué)法、模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法、難點(diǎn)答疑教學(xué)法等。真正將理論知識(shí)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合在一起，不斷提升課程的教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)掘和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力和創(chuàng)造力。

參考文獻(xiàn)

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