可編程序控制器教學(xué)現(xiàn)狀分析及課程建設(shè)研究

可編程序控制器教學(xué)現(xiàn)狀分析及課程建設(shè)研究

摘要：針對(duì)高職院校的教學(xué)特點(diǎn)，分析了PLC實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀和主要問(wèn)題，從理論教學(xué)、試驗(yàn)教學(xué)和綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)幾方面對(duì)課程改革進(jìn)行了探討和研究并提出了建設(shè)方案。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，可以取得良好的教學(xué)試驗(yàn)效果。關(guān)鍵詞：PLC可編程序控制器教學(xué)實(shí)踐可編程序控制器以其價(jià)格便宜、可靠性高、簡(jiǎn)單易懂、操作靈活等特點(diǎn)得到各行業(yè)控制領(lǐng)域的認(rèn)同和推廣。隨著可編程序控制器在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代企業(yè)對(duì)PLC技術(shù)人員的需求日益增大。對(duì)于廣大高職院校學(xué)生來(lái)說(shuō)，它已不僅僅是一門課程，而是一項(xiàng)實(shí)用性較強(qiáng)的技術(shù)，掌握了這門技術(shù)，畢業(yè)后可直接應(yīng)用于工作實(shí)踐。本文對(duì)現(xiàn)有教學(xué)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，找出其問(wèn)題所在，并從課程教學(xué)設(shè)計(jì)、課程試驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)幾方面就可編程序控制器的教學(xué)進(jìn)行了探討和研究，以達(dá)到深化學(xué)生的理論知識(shí)，使學(xué)生全面掌握PLC技術(shù)，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才的目的。一、目前高?？删幊绦蚩刂破鲗?shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀及主要問(wèn)題目前國(guó)內(nèi)高校在PLC課程教學(xué)中普遍面臨問(wèn)題是教學(xué)設(shè)備落后，跟不上PLC產(chǎn)品的更新?lián)Q代的問(wèn)題。在這方面，我校做得較好，我們選用西門子S7-200系列PLC作為教學(xué)對(duì)象，西門子公司PLC在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率比較高，加上該設(shè)備上市時(shí)間不長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間那都將占有市場(chǎng)。盡管如此，在教學(xué)中，我們?nèi)匀幻媾R很多問(wèn)題急待解決。（一）教學(xué)大綱內(nèi)容眾多與課時(shí)有限之間的矛盾，教材的不適用。目前的PLC課程主要包括兩方面的內(nèi)容：一是低壓電器控制，二是可編程控制器原理及應(yīng)用，另外還可能涉及組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容眾多，且都是實(shí)踐性很強(qiáng)的項(xiàng)目，造成教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)之間的矛盾。另外，也是由于該課程包括兩大部分不同內(nèi)容，使得教材的選擇變得很難，通常兩方面都涉及的教材對(duì)PLC的內(nèi)容講述就變得很少，并且主要集中在編程指令的說(shuō)明上，缺少案例分析，不易于學(xué)生對(duì)課程的理解。[1]（二）傳統(tǒng)授課方法造成理論與實(shí)踐脫節(jié)。PLC的指令熟悉與掌握建立在編程練習(xí)的基礎(chǔ)上，我們目前的教學(xué)方式多是在教室上課講述指令，之后到試驗(yàn)室去做試驗(yàn)，可是試驗(yàn)內(nèi)容并不一定直接與最近講授的指令相關(guān)。造成學(xué)生上課沒(méi)有興趣，試驗(yàn)時(shí)又由于缺乏理論基礎(chǔ)而不會(huì)編程的窘境。（三）教學(xué)試驗(yàn)資源有限，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)不合理，試驗(yàn)中進(jìn)行重復(fù)性編程練習(xí)PLC課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，課程的開(kāi)設(shè)有三分之一到二分之一的課時(shí)是實(shí)驗(yàn)課，但在實(shí)驗(yàn)室做該課程的實(shí)驗(yàn)又有其局限性，一般的PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)，配備的是一臺(tái)PLC基本單元，若干實(shí)驗(yàn)掛件，要實(shí)現(xiàn)的控制不但受掛件的限制，還受基本單元的功能的限制，如何在有限的實(shí)驗(yàn)條件下，讓學(xué)生掌握好PLC的應(yīng)用，是擺在我們面前的課題。我校的PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)是天煌教儀的THSMS-C網(wǎng)絡(luò)型可編程控制器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該裝置采用的是SiemensS7-200系列PLC配備CPU224CN，擴(kuò)張了功能模塊EM223，及若干實(shí)驗(yàn)掛件。目前針對(duì)試驗(yàn)裝置開(kāi)設(shè)的十四個(gè)實(shí)驗(yàn)中不是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量控制的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量的重復(fù)編程，就是控制要求過(guò)于復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)，在教學(xué)中不能收到良好的教學(xué)效果。例如就試驗(yàn)掛箱中的五相步進(jìn)電機(jī)模擬、噴泉控制、8段顯示器設(shè)計(jì)三個(gè)試驗(yàn)，雖然控制對(duì)象不同，但程序設(shè)計(jì)思路一致，學(xué)生在3個(gè)試驗(yàn)中做得工作是對(duì)相同指令的重復(fù)性編程練習(xí)。（四）偏重編程練習(xí)，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目缺乏整體認(rèn)識(shí)PLC本來(lái)是理論與實(shí)踐的結(jié)合，硬件與軟件的統(tǒng)一，可是在試驗(yàn)中，學(xué)生了解主要是PLC的軟件編程，對(duì)于其在工業(yè)控制中的地位、作用、和用法仍然缺乏整體認(rèn)識(shí)。（五）綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目單一，與實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)出入太大綜合實(shí)訓(xùn)本來(lái)的目的是對(duì)PLC及其相關(guān)內(nèi)容的整合，使得學(xué)生對(duì)PLC控制有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，但由于在實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)中缺乏控制對(duì)象，使得學(xué)生的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容在很大程度上變成了對(duì)一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，學(xué)生對(duì)PLC的實(shí)際用途仍然不了解，對(duì)PLC在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)的作用仍然缺乏認(rèn)識(shí)。另外，目前開(kāi)設(shè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目單一，而學(xué)生水平不一，針對(duì)不同學(xué)生進(jìn)行不同項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)，又利于更好的激發(fā)全體學(xué)生的積極性，也可以通過(guò)觀察其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)安裝，使學(xué)生們對(duì)PLC控制系統(tǒng)有更深層次的了解。可編程序控制器作為電氣自動(dòng)化專業(yè)的重要主干課程之一，具有知識(shí)覆蓋面廣，更新發(fā)展速度快，既強(qiáng)調(diào)理論又偏重實(shí)踐，與實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用緊密結(jié)合的特點(diǎn)。學(xué)生掌握后，可將這項(xiàng)技術(shù)直接應(yīng)用于工作需要?？墒悄壳暗慕虒W(xué)和實(shí)踐存在上述諸多的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了PLC教學(xué)效果，分析PLC課程特點(diǎn)，對(duì)PLC的理論教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，對(duì)于促進(jìn)PLC技術(shù)的發(fā)展和傳授具有重大的意義。二、可編程序控制器教學(xué)改革方案（一）教學(xué)環(huán)節(jié)改革經(jīng)過(guò)一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題有了把握，并在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出以下措施和方案。1、將理論教學(xué)、實(shí)物直觀教學(xué)、多媒體教學(xué)相結(jié)合充分利用多媒體教室，制作整個(gè)課程的多媒體課件。在課件中引用大量的實(shí)物圖片，使學(xué)生對(duì)PLC有直觀的認(rèn)識(shí)；在教學(xué)中對(duì)程序設(shè)計(jì)加入現(xiàn)場(chǎng)仿真調(diào)試，一方面在不知不覺(jué)中介紹了軟件的使用，另一方面增強(qiáng)了學(xué)生的興趣，使學(xué)生看到的不再是單純的理論分析，還有直觀的運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果。[2]將理論教學(xué)與實(shí)物參觀相結(jié)合，例如在講PLC硬件時(shí)即可帶學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室參觀學(xué)習(xí)，要學(xué)生結(jié)合眼前看到的器件，分析PLC的型號(hào)、接口特點(diǎn)和I/O地址分配，可取得事半功倍的效果。2、在軟件編程教學(xué)中堅(jiān)持以案例為教學(xué)主線根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)典型而實(shí)用的案例，引導(dǎo)學(xué)生分析、討論、設(shè)計(jì)程序，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在案例選擇上，應(yīng)捉住當(dāng)前授課內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，注意案例覆蓋的知識(shí)面，尋找有代表性的案例。透過(guò)案例分析，使學(xué)生能夠比較容易的了解指令特點(diǎn)，比較深入地掌握授課內(nèi)容。（二）試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的總體思路是以學(xué)生為主體，教師指導(dǎo)，變驗(yàn)證性試驗(yàn)為多種形式的設(shè)計(jì)性試驗(yàn)。將試驗(yàn)分為：驗(yàn)證性試驗(yàn)、讀程序和修改程序、設(shè)計(jì)性試驗(yàn)三大類。驗(yàn)證性試驗(yàn)是基礎(chǔ)試驗(yàn)，主要針對(duì)基本編程指令設(shè)計(jì)，目的是使剛接觸PLC的學(xué)生能夠很好地理解PLC的工作方式和它的基本指令用法；對(duì)程序和程序修改試驗(yàn)作為驗(yàn)證性試驗(yàn)和設(shè)計(jì)性試驗(yàn)的過(guò)渡，根據(jù)一定實(shí)踐案例的控制要求，給出控制程序，能實(shí)現(xiàn)其一定功能又存在問(wèn)題，訓(xùn)練學(xué)生讀程序和調(diào)試程序的能力；設(shè)計(jì)性試驗(yàn)是對(duì)已學(xué)知識(shí)的一個(gè)綜合應(yīng)用，在題目選擇上要側(cè)重不同的指令編程方法，避免將這類試驗(yàn)編程對(duì)一類指令的重復(fù)練習(xí)。[3]1、在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，由于梯形圖的編寫(xiě)和理解都比較簡(jiǎn)單，學(xué)生只需選做三個(gè)開(kāi)關(guān)量控制實(shí)驗(yàn)即可，包括：（1）基本位邏輯指令的練習(xí)主要是訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用PLC的三大編程語(yǔ)言編程，PLC的I/O地址分配，外圍電路的接線。通過(guò)此類實(shí)驗(yàn)學(xué)生能加深對(duì)PLC的認(rèn)識(shí)，理解輸入輸出單元的分配，梯形圖的編寫(xiě)，掌握PLC的使用。（2）定時(shí)器與計(jì)數(shù)器指令的使用。定時(shí)器和計(jì)數(shù)器在PLC編程中有著廣泛的應(yīng)用，通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)，掌握三種定時(shí)器與三種計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)和使用方法。（3）順序控制實(shí)驗(yàn)PLC順序控制程序是應(yīng)用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖編寫(xiě)的，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是PLC三種主要的編程語(yǔ)言之一，該編程方法將控制過(guò)程劃分為若干個(gè)狀態(tài)，各狀態(tài)具有不同的動(dòng)作，狀態(tài)間滿足條件就實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，往往采用順序控制編程，可以簡(jiǎn)化程序，使程序具有直觀易懂的特點(diǎn)。2、讀程序和修改程序?qū)Τ绦虻拈喿x和修改不再建立在對(duì)基本指令的理解上，而是針對(duì)一個(gè)實(shí)用的、具體的控制案例，給出控制程序，該程序可以實(shí)現(xiàn)控制的基本要求，同時(shí)又存在部分問(wèn)題。通過(guò)學(xué)生對(duì)案例的分析，讀懂程序，找到程序的問(wèn)題所在，并訓(xùn)練學(xué)生對(duì)程序的修改和調(diào)試能力。這類試驗(yàn)主要針對(duì)控制要求相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，學(xué)生下載程序到PLC后能夠看到直觀的運(yùn)行效果，又很容易找到程序的癥結(jié)所在，自然對(duì)修改它產(chǎn)生了興趣，從而達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果。另一方面，學(xué)生也能通過(guò)這類程序，借鑒他人編程的思路，也為獨(dú)立設(shè)計(jì)程序打好了基礎(chǔ)。3、設(shè)計(jì)性試驗(yàn)設(shè)計(jì)性試驗(yàn)所占比例較大，在試驗(yàn)的選擇上，要注意實(shí)用性、典型性，同時(shí)每個(gè)試驗(yàn)針對(duì)不同的指令或不同的編程方法又需要各具重點(diǎn)。教師在試驗(yàn)前，可給予學(xué)生適當(dāng)?shù)奶崾净蚪o出基本的設(shè)計(jì)思路或提出程序設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題，而程序的主題由學(xué)生獨(dú)立完成。4、功能模塊實(shí)驗(yàn)PLC的功能模塊的多少和功能的強(qiáng)弱，直接反映該系列PLC的性能，正是功能模塊的發(fā)展，使PLC的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，功能越來(lái)越強(qiáng)大，實(shí)驗(yàn)室不可能將所有的功能模塊購(gòu)置回來(lái)，但功能模塊的使用是PLC課程重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在課程內(nèi)容上需對(duì)功能模塊做一個(gè)較全面的介紹，從模塊的技術(shù)指標(biāo)、模塊的連接及編號(hào)、模塊的地址分配，到基本單元對(duì)功能模塊的讀寫(xiě)操作，利用實(shí)驗(yàn)室的EM235模塊，設(shè)立綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)——“模擬溫度控制”，在該實(shí)驗(yàn)中，可培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)踐能力，學(xué)生利用該模塊，自己設(shè)計(jì)檢測(cè)電路部分、模擬信號(hào)輸入部分、基本單元與功能模塊的讀寫(xiě)操作、控制信號(hào)輸出部分，是一種綜合知識(shí)的運(yùn)用和實(shí)踐動(dòng)手能力的鍛煉。5、PLC通信實(shí)驗(yàn)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展和控制系統(tǒng)集成度的增高，PLC作為工業(yè)控制的三大支柱之一，PLC控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化越來(lái)越普遍，讓學(xué)生盡可能地接觸和掌握PLC通信的內(nèi)容，也是為社會(huì)輸送具有現(xiàn)代控制技術(shù)和能力的具有競(jìng)爭(zhēng)力的畢業(yè)生的需求。開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)——“PLC通信結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)”，全面掌握PLC聯(lián)網(wǎng)通信以及上位PC機(jī)對(duì)PLC的現(xiàn)場(chǎng)通信控制。6、仿真試驗(yàn)受試驗(yàn)室硬件設(shè)備和條件限制，為了給學(xué)生提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，可以指導(dǎo)學(xué)生利用仿真軟機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)試程序。目前大多數(shù)公司的產(chǎn)品都提供仿真軟件，它不需要實(shí)際的硬件設(shè)備，就可以擴(kuò)展教學(xué)試驗(yàn)范圍，學(xué)生學(xué)會(huì)后也可在自己的電腦上做編程練習(xí)和完成習(xí)題，從而提高學(xué)生的研發(fā)能力。[4]（三）綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)通過(guò)PLC的試驗(yàn)，學(xué)生可以掌握PLC的基本編程方法和I/O接口的接線方法，但對(duì)于提高學(xué)生對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的整體認(rèn)識(shí)，深入了解PLC在控制系統(tǒng)中的作用和用法，它的收效甚微。而進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)在這方面具有很好的效果。1、設(shè)計(jì)思路和內(nèi)容綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)的總體思路是使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)從項(xiàng)目建立、項(xiàng)目分析、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目施工到相應(yīng)電氣文檔的建立做一個(gè)全面的接觸和了解。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括：(1)項(xiàng)目分析及項(xiàng)目選擇(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3)軟件程序分析與設(shè)計(jì)(4)項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)(5)圖紙繪制(6)安裝調(diào)試(7)上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)與調(diào)試2、試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的選擇上，既要兼顧不同學(xué)習(xí)程度學(xué)生的要求，又要考慮系統(tǒng)的典型性。經(jīng)過(guò)精心研究考慮，選定三個(gè)課題：交通燈控制系統(tǒng)、電機(jī)的順序啟動(dòng)、停止設(shè)計(jì)、雙容水箱控制系統(tǒng)，這三個(gè)系統(tǒng)在電氣線路、程序設(shè)計(jì)上均各具特點(diǎn)：交通燈控制系統(tǒng)的電氣控制線路相對(duì)簡(jiǎn)單，控制柜??；程序復(fù)雜，涉及定時(shí)器的使用，順序控制的實(shí)現(xiàn)、LED數(shù)顯的驅(qū)動(dòng)等方面內(nèi)容。電機(jī)的順序啟動(dòng)、停止設(shè)計(jì)不只涉及PLC課程內(nèi)容本身，還設(shè)計(jì)低壓電器控制方面的知識(shí)，控制柜和控制線路相對(duì)復(fù)雜。雙容水箱控制系統(tǒng)要用到模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊的使用和傳感器的使用，控制對(duì)象