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(guó)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(dòng)化工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主線，引導(dǎo)學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)。教學(xué)實(shí)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(shí)的同時(shí)，促進(jìn)了對(duì)學(xué)生的實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要技術(shù)手段。從一個(gè)普通的生產(chǎn)設(shè)備到企業(yè)的整個(gè)加工、制造系統(tǒng)乃至企業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)過程，都需要由電氣與PLC控制技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)化系統(tǒng)和自動(dòng)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(jì)、系統(tǒng)總線集成、控制軟件設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，將自動(dòng)控制理論在具體控制任務(wù)中實(shí)例化，實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)了從硬件邏輯電路到數(shù)字運(yùn)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(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)械工程自動(dòng)化等專業(yè)都是一門重要專業(yè)課程。其課程知識(shí)體系大致分為四個(gè)方面的內(nèi)容：低壓電器元件和電氣接線圖設(shè)計(jì);PLC基本指令和軟件編程方法;數(shù)字量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);模擬量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于電氣與PLC控制技術(shù)實(shí)踐性較強(qiáng)，傳統(tǒng)課程教學(xué)脫離工程實(shí)際多以概念、基本指令和簡(jiǎn)單實(shí)例為主，采用“講授式”教學(xué)，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，使學(xué)生知識(shí)掌握分散，難以綜合運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，課程實(shí)驗(yàn)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)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(yùn)用和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

本文在吸取國(guó)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(diǎn)，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(guó)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(dòng)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shí)際工程設(shè)計(jì)為背景，合理提高課程難度、增加課程與電機(jī)拖動(dòng)、過程控制等課程的交叉，將組態(tài)設(shè)計(jì)涵蓋進(jìn)教學(xué)范圍，拓展學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)規(guī)范的認(rèn)知。通過研究性學(xué)習(xí)全程參與項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行等過程，讓學(xué)生在獲得知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，獲得多方面的工程體驗(yàn)和設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要技術(shù)手段，在一般的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及電氣控制、PLC、變頻控制、自動(dòng)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(shí)際，涵蓋工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需求的知識(shí)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(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)為核心，以“夠用、實(shí)用”為原則，加入PLC通信、變頻控制、組態(tài)軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容，按照按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(dòng)化及PLC控制系統(tǒng)為開始，結(jié)合過程控制理論簡(jiǎn)述自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，以具體實(shí)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(dòng)等控制環(huán)節(jié)，使學(xué)生清晰的認(rèn)識(shí)到各環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中所處位置和作用。

設(shè)計(jì)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(dòng)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)的流程，以水泥自動(dòng)配料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)例，介紹系統(tǒng)工藝、功能設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置等流程。

設(shè)計(jì)任務(wù)：對(duì)調(diào)速稱（自動(dòng)配料一個(gè)單元）進(jìn)行調(diào)研和控制方案設(shè)計(jì)。

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

設(shè)計(jì)任務(wù)：對(duì)調(diào)速稱（自動(dòng)配料一個(gè)單元）進(jìn)行電氣控制部分設(shè)計(jì)（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(jì)，以調(diào)速稱自動(dòng)控制為例講述硬件設(shè)計(jì)的概念、IO分配，硬件接線。

設(shè)計(jì)任務(wù)：調(diào)速稱硬件設(shè)計(jì)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?？刂茷槔隤LC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(jì)任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)傳送帶啟停自動(dòng)控制。

第7講，基本指令應(yīng)用，以電機(jī)多地啟動(dòng)，多電機(jī)順序啟動(dòng)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(jì)任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)。

第8講，講述定時(shí)器指令、計(jì)數(shù)器指令，以電動(dòng)機(jī)延時(shí)啟動(dòng)、延時(shí)關(guān)閉講解定時(shí)器，以生產(chǎn)線產(chǎn)品計(jì)數(shù)講解計(jì)數(shù)器。

設(shè)計(jì)任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)報(bào)警、急停程序設(shè)計(jì)。

第9講，順序控制PLC程序設(shè)計(jì)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(jì)方法。

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

第10講，講述PLC項(xiàng)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(jì)任務(wù)：調(diào)速稱控制系統(tǒng)料重檢測(cè)程序設(shè)計(jì)。

第11講，講述PLC項(xiàng)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(shí)現(xiàn)。

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