面向智能制造的PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究與實(shí)踐

摘 要：針對機(jī)械類專業(yè)PLC課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備結(jié)構(gòu)封閉、難以開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不能親身體驗(yàn)設(shè)備安裝組態(tài)、無法深度剖析結(jié)構(gòu)原理、缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性等問題，文章提出了PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。通過重塑多層次模塊化的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開設(shè)以學(xué)為中心的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，構(gòu)建工程化、綜合性、創(chuàng)新型的PLC實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)新體系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新思維，推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量與專業(yè)水平上新臺(tái)階，培養(yǎng)高水平工程應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：PLC數(shù)字化；實(shí)驗(yàn)教改；智能制造；模塊化

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2024）11-0080-04

一、引言

黨的二十大報(bào)告指出，新型工業(yè)化的關(guān)鍵是以科技創(chuàng)新促進(jìn)制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展，只有這樣才能持續(xù)推進(jìn)制造強(qiáng)國建設(shè)。我國制造業(yè)既要強(qiáng)化高水平自主技術(shù)要素供給，又要加快推進(jìn)數(shù)字技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的進(jìn)程。因此，要深入實(shí)施智能制造工程和制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型行動(dòng)，加快制造業(yè)數(shù)字化、智能化升級(jí)[1]。

當(dāng)前，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)周期、功能、安全性等方面無法滿足現(xiàn)代用戶的需求?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)常常以各種控制器作為工具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，采用現(xiàn)代管理技術(shù)，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的新思維和新手段，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，其設(shè)計(jì)技術(shù)高效化和自動(dòng)化[2]。PLC（Programm-

able Logic Controller，可編程邏輯控制室）數(shù)字化是一種基于虛擬仿真技術(shù)的技術(shù)應(yīng)用，通過建立物理系統(tǒng)的數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對物理系統(tǒng)的仿真和監(jiān)測。在教育領(lǐng)域，PLC數(shù)字化技術(shù)可以應(yīng)用于教學(xué)場景的模擬、學(xué)生行為的分析和優(yōu)化、學(xué)習(xí)資源的智能推薦等方面，實(shí)現(xiàn)智慧教育的目標(biāo)。PLC將數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)作為輸入和輸出信號(hào)，以此完成各種類型的機(jī)械系統(tǒng)的控制過程。將數(shù)字化技術(shù)引入PLC課堂教學(xué)可以為學(xué)生提供更加真實(shí)、直觀的應(yīng)用場景。

二、PLC實(shí)踐教學(xué)存在的問題

湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的機(jī)械電子工程專業(yè)（以下簡稱“機(jī)電專業(yè)”）、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、材料成型及控制專業(yè)、焊接技術(shù)、機(jī)器人工程專業(yè)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，均已開設(shè)“PLC控制”課程。然而，“PLC控制”課程在實(shí)踐教學(xué)過程中還存在以下突出問題。

1.傳統(tǒng)“PLC控制”課程缺少實(shí)際機(jī)械設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。機(jī)械設(shè)備因笨重、體積大等原因，無法大批量搬進(jìn)PLC實(shí)驗(yàn)室，導(dǎo)致學(xué)生看不到機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化過程，造成課程單調(diào)乏味，從而無法有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，課程需要大量的電氣知識(shí)、數(shù)學(xué)知識(shí)，概念抽象枯燥，導(dǎo)致學(xué)生上課精神不集中，學(xué)習(xí)興趣不高，掛科現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)少，原因有2個(gè)方面。一是“PLC控制”課程整體上課時(shí)偏少，實(shí)驗(yàn)課時(shí)則更少，導(dǎo)致學(xué)生可動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)少。二是附帶有機(jī)械系統(tǒng)的PLC控制類設(shè)備價(jià)格較高，學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限，所采購的臺(tái)套數(shù)不夠，需要分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生操作時(shí)間較短，動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)少。特別是近幾年，隨著對機(jī)械類專業(yè)人才需求增加而擴(kuò)招人數(shù)，這一窘?jīng)r更顯突出。

3.實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備結(jié)構(gòu)封閉，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)多，難以開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生只能簡單操作，不能親身體驗(yàn)設(shè)備安裝組態(tài)，無法深度剖析結(jié)構(gòu)原理，常感到課程知識(shí)枯燥難懂，缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性[3-5]。

積極開展“PLC控制”課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革，以機(jī)械類專業(yè)為基礎(chǔ)，強(qiáng)化機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)，建立數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。MCD是一款易學(xué)、實(shí)用的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)也是時(shí)下流行的數(shù)字孿生技術(shù)，其能幫助學(xué)生在未來的實(shí)際工作中快速解決工程實(shí)際問題，減少成本投入[6-7]。在“PLC控制”實(shí)驗(yàn)課程中引入MCD（機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)），使“PLC控制”實(shí)驗(yàn)課程實(shí)現(xiàn)可視化、機(jī)電一體化，可以讓學(xué)生在自己的計(jì)算機(jī)上利用虛擬軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，順應(yīng)制造業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型需要，實(shí)現(xiàn)低成本、更高效的智能制造。

湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院利用數(shù)字化技術(shù)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對機(jī)械類專業(yè)PLC 實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行數(shù)字化改革，通過探索機(jī)電融合的 PLC 數(shù)字化驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，開發(fā)工程化、綜合性、創(chuàng)新型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建立 PLC 數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)新模式。重視數(shù)字化仿真教學(xué)的探索研究，加大政策支持力度和經(jīng)費(fèi)投入，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，鼓勵(lì)校企聯(lián)合開發(fā)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)等行之有效的做法，促使教師從課堂教學(xué)的主導(dǎo)者轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化教學(xué)的監(jiān)督者和引導(dǎo)者，并借鑒吸收國外數(shù)字化教學(xué)的先進(jìn)理念與技術(shù)手段，使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正起到推動(dòng)教學(xué)改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要作用。

（二）調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采取循序漸進(jìn)方法，吸引學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)只有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少，教學(xué)改革后將增加工程實(shí)驗(yàn)。

1.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是指基本指令的應(yīng)用、定時(shí)器計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)是指基本指令在簡單工程案例中的應(yīng)用，主要是掌握各種編程方法的具體運(yùn)用。

3.工程實(shí)驗(yàn)主要是針對較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，設(shè)計(jì)編寫較復(fù)雜的程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，其目的是結(jié)合科研項(xiàng)目、學(xué)科競賽項(xiàng)目，為學(xué)生提供更多的工程實(shí)踐項(xiàng)目，提高學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。結(jié)合學(xué)院實(shí)際情況，未來還將開設(shè)一些風(fēng)電、新能源汽車相關(guān)的PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

三、PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

（一）結(jié)合機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，開發(fā)MCD數(shù)字化應(yīng)用場景

MCD是數(shù)字孿生技術(shù)中的一種重要的數(shù)字化工具，是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)化和編程等多學(xué)科為一體的產(chǎn)品，是一個(gè)多學(xué)科技術(shù)融合與虛擬調(diào)試、開發(fā)的技術(shù)平臺(tái)[8]。

借助MCD數(shù)字孿生技術(shù)的PLC數(shù)字化控制過程如圖1所示。在數(shù)字空間中，運(yùn)用MCD技術(shù)構(gòu)建3D數(shù)字模型，建立HMI（Human Machine Interface）人機(jī)交互界面，在TIA（Totally Integrated Automation）完全集成自動(dòng)化軟件上編寫PLC程序，通過PLCSIM. ADV（PLC仿真器）控制MCD模型，對設(shè)備動(dòng)作、控制程序等進(jìn)行虛擬調(diào)試，以數(shù)字化的形式預(yù)先驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。在整個(gè)過程中，運(yùn)用MCD技術(shù)構(gòu)建3D數(shù)字模型是第一個(gè)步驟。機(jī)械類專業(yè)的PLC實(shí)驗(yàn)課時(shí)不多，不可能在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行MCD建模。學(xué)生大多對計(jì)算機(jī)軟件有著先天的學(xué)習(xí)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(shí)間（寒暑假）把MCD學(xué)習(xí)視頻發(fā)到學(xué)習(xí)群，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，這樣不僅節(jié)省了實(shí)驗(yàn)課時(shí)間，還能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)MCD技術(shù)的同時(shí)再次學(xué)習(xí)機(jī)械類專業(yè)知識(shí)，將機(jī)械類專業(yè)知識(shí)有效地運(yùn)用起來，使所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通。

（三）將現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)字化，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率最大化

近幾年，湖南工5SMLshNg9AHPavIwck1jMVwXWlFt8bU+LUn6wFJ1Ry0=程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院引進(jìn)了較為先進(jìn)的機(jī)器人教學(xué)設(shè)備，由PLC控制，自動(dòng)化程度高。但因價(jià)格昂貴，采購數(shù)量有限，作為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，其滿足不了教學(xué)需求。利用數(shù)字化技術(shù)，將現(xiàn)有設(shè)備制作成數(shù)字化虛擬設(shè)備，并利用MCD技術(shù)，讓學(xué)生按照自己的設(shè)計(jì)理念對設(shè)備動(dòng)作、控制程序等進(jìn)行虛擬調(diào)試，可做到一人一機(jī)，且不影響設(shè)備的性能。虛擬調(diào)試通過后，再到實(shí)體機(jī)上完成實(shí)體控制過程，實(shí)現(xiàn)低成本、更高效的智能制造，不僅滿足了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，還能將實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用率最大化，極大地提高了教學(xué)水平和教學(xué)效率。

（四）開發(fā)各具專業(yè)特色的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、材料成型及控制專業(yè)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”“工程教育認(rèn)證”整合PLC課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。為此，PLC數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要從工程的角度出發(fā)，緊密結(jié)合機(jī)、電、液、氣、控制等領(lǐng)域，構(gòu)建更具機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、材料成型及控制專業(yè)特色的PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，強(qiáng)化機(jī)械類專業(yè)特色，為以后的工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)[9]。

四、PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體實(shí)施過程

（一）了解學(xué)生需求和同行經(jīng)驗(yàn)，制定實(shí)施方案

以座談會(huì)的形式了解學(xué)生對PLC課程的需求，從源頭上尋找教學(xué)改進(jìn)的方法；到其他高校調(diào)研，向同行學(xué)習(xí)取經(jīng)，獲取PLC數(shù)字化的教學(xué)方法；向已畢業(yè)學(xué)生和用人單位了解最新技術(shù)前沿，收集工程案例，聽取校內(nèi)外學(xué)生、企業(yè)對知識(shí)結(jié)構(gòu)、課程設(shè)置的意見；廣泛查閱各種文獻(xiàn)，借鑒可執(zhí)行的經(jīng)驗(yàn)，為課題研究打下基礎(chǔ)。

（二）優(yōu)化整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)字化

1.增加工程實(shí)踐案例，豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目種類

當(dāng)前，智能制造業(yè)、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域日益蓬勃發(fā)展，因此，教師應(yīng)把典型的工程實(shí)例引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，用MCD技術(shù)將機(jī)械系統(tǒng)制作成3D數(shù)字模型，再并入到PLC數(shù)字化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，尋找更多的工程案例，豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目種類。

2.用新技術(shù)改造原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)

湖南工程學(xué)院擁有幾臺(tái)大型智能化機(jī)械實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但因?yàn)榕_(tái)套數(shù)少，不能大面積推廣使用，導(dǎo)致PLC課程設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少。用PLC數(shù)字化技術(shù)改造實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械設(shè)備，可以很好地解決這些問題。所以，在本次教學(xué)改革項(xiàng)目中，計(jì)劃完成一套大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改造任務(wù)。例如，機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)室的BDT-Robot機(jī)器人，因其價(jià)格昂貴，采購數(shù)量有限，致使學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少。因此，教師可將PLC數(shù)字化技術(shù)融入到設(shè)備中，重新調(diào)整實(shí)踐教學(xué)過程，如圖2所示。同時(shí)，考慮課時(shí)問題，將建立HMI、在TIA上編寫程序、通過PLCSIM. ADV控制3D數(shù)字模型等納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。將PLC數(shù)字化全過程納入課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，既滿足了教學(xué)需求，又實(shí)現(xiàn)了線上線下混合式教學(xué)，將教學(xué)與工程實(shí)際有機(jī)地結(jié)合起來，培養(yǎng)與企業(yè)、社會(huì)需求相一致的高水平應(yīng)用型專業(yè)人才。

3.引入新技術(shù)、新成果，確保教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際相結(jié)合

在原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，及時(shí)給學(xué)生講解與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的新技術(shù)、新知識(shí)、新方法，開闊學(xué)生的視野，體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的時(shí)代特色。結(jié)合湖南工程學(xué)院應(yīng)用型高校特色，設(shè)計(jì)開發(fā)風(fēng)電、新能源汽車相關(guān)的數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（三）將數(shù)字化過程融入實(shí)驗(yàn)課堂，實(shí)現(xiàn)形象化、可視化教學(xué)

根據(jù)PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的3個(gè)層次，按照如圖3所示的流程，采用不同的教學(xué)方法，如翻轉(zhuǎn)課堂等，以直觀形象、可視化的方式展現(xiàn)PLC基本原理與應(yīng)用。整體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以實(shí)踐的方式展開，將機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、控制等各門學(xué)科綜合運(yùn)用起來，讓學(xué)生以數(shù)字化的方式自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。這樣既體現(xiàn)了數(shù)字化特色，還提高了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)性比例，給予學(xué)生更多的設(shè)計(jì)空間。課堂上，當(dāng)學(xué)生在實(shí)體機(jī)上調(diào)試時(shí)，教師可適當(dāng)給予指導(dǎo)，避免學(xué)生出現(xiàn)安全問題。在課后環(huán)節(jié)，布置課后作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)小型科技作品，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性。在學(xué)科競賽領(lǐng)域，教師應(yīng)發(fā)揮學(xué)生的潛能，并給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。

（四）開發(fā)具有機(jī)械類專業(yè)特色的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

以往在機(jī)械類專業(yè)開設(shè)的“PLC控制”課程只是單純的講授PLC知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)改革后將打破這一傳統(tǒng)，即以PLC數(shù)字化課程為對象，結(jié)合機(jī)械類專業(yè)各門課程，開發(fā)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，共享實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立開放式、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

五、PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果

PLC數(shù)字化課程的應(yīng)用性、實(shí)踐性、綜合性強(qiáng)，其成果還可以推廣至其他課程，應(yīng)用價(jià)值高。學(xué)生可以通過PLC數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)地獲得綜合應(yīng)用知識(shí)，為參加實(shí)際工作打下良好的基礎(chǔ)。

（一）在機(jī)電專業(yè)的試點(diǎn)情況

將PLC數(shù)字化引入機(jī)電專業(yè)“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)中，豐富了設(shè)計(jì)內(nèi)容，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。2019級(jí)學(xué)生已將調(diào)試過程錄制成視頻資料，以供后續(xù)的教學(xué)使用。

PLC數(shù)字化內(nèi)容得到了學(xué)生的認(rèn)可。在PLC教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)普遍采用了數(shù)字化仿真軟件進(jìn)行程序調(diào)試，畢業(yè)設(shè)計(jì)中的程序全部調(diào)試通過，而且有了視頻資料作為設(shè)計(jì)的佐證材料，有助于考證設(shè)計(jì)的真實(shí)性。教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員指導(dǎo)的畢業(yè)生多次獲得湖南工程學(xué)院“優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）”榮譽(yù)稱號(hào)。其他機(jī)械類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也融入了PLC數(shù)字化內(nèi)容，極大地提高了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)比例。

（二）將現(xiàn)有機(jī)械實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)字化

將湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的智能實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)字化，作為PLC數(shù)字化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既增加了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還可以將實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用率最大化。目前已完成智能制造產(chǎn)線的數(shù)字化過程。

智能制造產(chǎn)線是一臺(tái)價(jià)格較高的智能實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由一套小型立體倉庫、一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、一臺(tái)立式銑床、兩臺(tái)機(jī)器人、一套智能檢測系統(tǒng)和一臺(tái)智能運(yùn)輸小車組成，其工藝流程是：智能運(yùn)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(shù)控機(jī)床，由第一臺(tái)機(jī)器人抓取原料送入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，數(shù)控機(jī)床加工完畢后再由第一臺(tái)機(jī)器人送回智能運(yùn)輸小車，智能運(yùn)輸小車將初加工的工件通過循跡的方式送到第二臺(tái)機(jī)器人面前，第二臺(tái)機(jī)器人抓取初加工工件送入立式銑床進(jìn)行銑削，立式銑床加工完畢后由第二臺(tái)機(jī)器人送回智能運(yùn)輸小車，智能運(yùn)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(tǒng)，智能檢測系統(tǒng)檢測完畢后送回智能運(yùn)輸小車，智能運(yùn)輸小車通過循跡的方式送回立體倉庫。整個(gè)過程由PLC控制，工藝復(fù)雜。因?yàn)槠鋬r(jià)格較高、體積大，學(xué)校購買時(shí)只引進(jìn)了一套，導(dǎo)致學(xué)生可實(shí)踐機(jī)會(huì)少，不利于教學(xué)的持續(xù)開展。

借助PLC數(shù)字化軟件，提出一種基于NX MCD的虛擬智能制造產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試方法。首先建立智能制造產(chǎn)線的3D模型，其次運(yùn)用NX MCD技術(shù)“物理化”模型，然后通過TIA博圖軟件設(shè)計(jì)S7-1500PLC控制程序和HMI監(jiān)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(chǎn)線和PLC進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，通過PLC仿真器控制MCD模型，對機(jī)械動(dòng)作、控制程序等進(jìn)行虛擬調(diào)試，確認(rèn)控制程序的邏輯是否合理。驗(yàn)證虛擬智能制造產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性，摸索出可行的數(shù)字孿生方法，為機(jī)電產(chǎn)線設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與優(yōu)化提供新思路，對于推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研變革創(chuàng)新有重要意義[10]。

通過PLC數(shù)字化調(diào)試后，再到實(shí)體機(jī)上調(diào)試，既可以提高程序的準(zhǔn)確率，還可以增加多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如根據(jù)設(shè)備的組成情況可以分解出小型立體倉庫的數(shù)字化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工中心數(shù)字化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能檢測系統(tǒng)數(shù)字化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、循跡小車數(shù)字化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)……做到充分利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的使用率最大化。

經(jīng)過不斷探索與實(shí)踐，教學(xué)團(tuán)隊(duì)逐步建立起以學(xué)生自主設(shè)計(jì)、以工程案例為基礎(chǔ)的PLC數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，受到了學(xué)生、督導(dǎo)、同行、企業(yè)專家等各方的高度評(píng)價(jià)，如湖南工程學(xué)院督導(dǎo)觀摩了實(shí)驗(yàn)課程，給予的評(píng)價(jià)是“培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)走向科技創(chuàng)新的思維，教學(xué)內(nèi)容充實(shí)，講解清楚，指導(dǎo)到位”。同時(shí)，傳遞了家國情懷、工匠精神、職業(yè)素養(yǎng)、科技強(qiáng)國等正確的價(jià)值觀。

（三）學(xué)生受益情況

在機(jī)電專業(yè)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)加入PLC數(shù)字化技術(shù)，極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的2018級(jí)和2019級(jí)學(xué)生中有4名學(xué)生獲得了實(shí)用新型專利，其成果即是在PLC數(shù)字化仿真基礎(chǔ)上研發(fā)出來的，且獲得了湖南工程學(xué)院“優(yōu)秀畢業(yè)論文”榮譽(yù)稱號(hào)；指導(dǎo)的畢業(yè)生因工程應(yīng)用能力與實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)，成為了企業(yè)技術(shù)骨干，如2014級(jí)某學(xué)生在半年內(nèi)就主持工程項(xiàng)目，一年內(nèi)擔(dān)任技術(shù)考官，成為企業(yè)導(dǎo)師，秘訣就是在校期間已開展實(shí)踐學(xué)習(xí)。

目前，PLC數(shù)字化課程已推廣到機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，結(jié)合“機(jī)械控制工程”“工程測試技術(shù)”等控制課程，完善控制課程體系，為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)認(rèn)證打下基礎(chǔ)，同時(shí)也獲得了專家、教師和學(xué)生的高度評(píng)價(jià)。

六、結(jié)束語

湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院對機(jī)械類專業(yè)PLC 實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行數(shù)字化改革，通過探索機(jī)電融合的 PLC 數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，提高教學(xué)質(zhì)量與專業(yè)建設(shè)水平，對于培養(yǎng)高水平工程應(yīng)用型人才具有重要意義[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中共中央 國務(wù)院印發(fā)《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》[EB/OL].（2023-02-27）[2024-02-22]. https：//www.gov.cn/xinwen/2023-02/27/content_5743484.htm.

[2] 廖常初.FX系列PLC編程及應(yīng)用[M].2 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：1-7.

[3] 夏興有，鄒廣平，曲嘉.高校虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)問題探討[J].黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2020，74（5）：57-58.

[4] 劉金頌.機(jī)械工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究與實(shí)踐[J].工業(yè)和信息化教育，2020（5）：90-94.

[5] 王鄭庫，李鳳霞，徐家年，等.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐：以石油工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為例[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2020（3）：121-124.

[6] 莫沛.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子制作，2020（10）：53-54，24.

[7] 吉東風(fēng)，李海燕，成何珍，等.國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)探討[J].教育教學(xué)論壇，2020（20）：233-234.

[8] 趙輝，宋洪揚(yáng)，楊超.基于MCD的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線虛擬調(diào)試[J].智能制造，2021（6）：68-73.

[9] 黃菊生，劉軍安，蔣嶸.加強(qiáng)工程素質(zhì)培養(yǎng)的機(jī)電實(shí)踐教學(xué)改革與研究[J].教育教學(xué)論壇，2015（25）：160-162.

[10] 吳晨曦，蔣嶸，鐘超.基于虛擬仿真的機(jī)械電子工程 專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探究[J].黑龍江教育（理論與 實(shí)踐），2023，77（7）：76-79.

■ 編輯∕王力