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摘要：可编程控制器作为电气和自动化类专业的核心课程，是培养应用技术型人才的重要支撑。单纯的课堂教学难以满足培养学生理论联系实际和工程实践能力的需要。通过课题教学引入示例项目，利用仿真软件和实际工程项目的结合，分层次的将实践教学贯穿于PLC软硬件、指令应用和通讯配置等教学内容中，学生掌握理论知识的同时，培养了工程实践能力，实现了知识和能力的统一。
关键词：可编程控制器；虚拟仿真；教学探索
本文引用格式：张巍巍,等.可编程控制器的分层次实践教学探索[J].教育现代化,2019,6(08):112-114.
一 引言
通过改进教学方法以提高教学质量是教师教学活动中孜孜追求的目标。可编程控制器课程是应用性较强的工程实践类课程，如何改变传统教学模式，使得学生在学习理论知识的基础上，主动探索理论与实践的结合，进而提高时间动手能力，实现从理论学习到工程实践的统一教学过程，培养学生解决实际问题的能力，落实应用技能型人才培养方案，是任课老师亟需解决的问题。
可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作为通用的自动控制装置，广泛应用于工业控制系统中。作为电气和自动化类专业的核心课程，传统的PLC课程在介绍PLC工作原理和基本概念的基础上，针对特定型号的PLC讲授其硬件和软件系统[1]。在传统的教学过程中，利用课堂教学的模式讲述PLC的基本原理、硬件组成、指令系统和软件设计，实践教学则多采用验证性实验的教学方式；同时由于实践过程中涉及电力电子技术、传感器技术、电机拖动控制和自动控制原理等诸多课程，各门课程独立教学，课程衔接不够紧密，造成了学生课堂理论学习看似掌握，但不知如何实践动手的尴尬局面，更无法达到工程实践，学以致用的教学效果。为此，笔者结合北方民族大学学校和学生的实际情况，基于多年的工程实践经验，研究可编程控制器的分层次实践教学，在理论教学中引入示例项目，提高学生的学生兴趣；利用仿真软件结合实验项目，建立理论知识和实验项目的关联；基于柔性生产实践项目完成学生实践能力的培养，最终落实应用技能型人才的培养目标。
二 课程教学现状
随着中国制造2025的颁发，特别是传统制造业向智能智造的转型升级，自动化产业的热潮也不断升温，PLC作为自动化行业的重要构成部分，也迎来了新的发展契机。企业需求大量会调试，编程和维护PLC的应用技术型人才。北方民族大学作为建立在少数民族地区的委属民族院校，为培养民族地区社会经济发展所需的应用技术型人才，针对企业对人才的需求，为电气、自动化等专业的学生设置专业核心课《可编程控制器及应用》并在本科生的第七学期开设。结合学生特点和教学实践，研究《可编程控制器及应用》课程的教学内容与学生实际的学习状态，从中发现学生在学习的过程中存在以下问题。
（一)教材内容守旧，与相关课程衔接性差
在高等院校普遍采用的《可编程控制器原理及应用》教材中，大多对可编程控制器的原理、控制器的组成和编程指令介绍较多，对基本的控制器件和控制电路分析涉及较少，或几乎没有涉及，但是在实际的控制系统的设计与运行中，控制电路的设计是系统设计中的难点与关键点，关系到PLC控制系统的硬件选型、软件编程、通讯组态等方面。同时，由于PLC的生产厂家和产品系列众多，PLC的硬件和软件更新速度日益增加，教材内容无法做到与时俱进。学生在学习《可编程控制器及应用》课程时，不理解PLC外部控制电路的功能与设计方法，不能与实际工业控制现场接轨，也不能与之前学过的计算机控制系统、电机拖动控制、自动控制原理等相结合。
（二）实验和实践教学孤立
PLC是一门实践性很强的应用类课程，课堂教学侧重于基本理论和基本原理的讲授，学生难以理解PLC外部的控制硬器件和内部的控制软器件[2]，如外部的行程开关、时间继电器和内部的线圈、触点。而在实验室完成实验过程中，要利用上述控制器件完成相应的实验设计，课程内容和实验实践缺乏连贯性；同时，教材中关于PLC实际工业控制现场的应用介绍较少，学生难理解PLC外部控制电路的功能与设计方法，不能与实际工业控制现场接轨
[3]，教学效果不理想，学生实践动手能力差强人意。
三 课程教学改革
为此，鉴于课程的特点和教学现状，结合PLC仿真软件，利用学院现有的基础教学实验设备和柔性生产系统进行了PLC的分层次实践教学，首先，学生可通过PLC软件对PLC内部的软器件有更加直观的了解，通过基础实验教学实现简单的逻辑控制，其次，利用仿真软件实现柔性生产系统中的某一环节的虚拟仿真，最后在柔性生产系统中完成特定项目PLC控制的全过程。在提高教学效果的同时，学生通过项目实施的整个过程，能更好地理解教学内容并运用到实际中，从而强化学生工程实践能力[4]。
（一）教学内容设计
以西门子S7-200/300/400系列PLC为主要教学机型，在课堂教学中利用传统的多媒体教学方式对基本指令、简单编程实例进行讲解；利用PLCSIM仿真软件，结合讲解的指令和实例，通过学生自己编程加深对PLC工作原理、基本概念和编程方法的理解。具体教学内容补充了部分继电器接触器控制原理和实现，包括了PLC系统组成与组态、PLC指令系统、PLC编程方法、PLC通信技术与编程实例等几个部分[5,6]。同时，为了教学内容紧跟PLC的软硬件更新，教学内容中通过比较差异的方式，介绍了西门子S7-1200/1500系列PLC的硬件系统和博途v13编程软件[7]。通过补充以上内容，清晰地向学生展示了PLC由继电器逐步发展的全过程和最新的PLC系统组成，实现课程内容的丰富和部分相关课程的衔接。
在教学过程中，通过PLCSIM仿真软件设计了与教学内容对照的虚拟仿真示例，如表1所示，所有学生验证基本理论与方法，从而提高学生学习兴趣，加深学生对PLC基本原理和编程指令的理解。通过基础型示例项目，让所有学生验证基本理论与方法，注重个人理解和实践，着重培养工程意识和工程素质[8]。
完成基本教学内容的同时，学生进入柔性生产实训实验室参观学习，通过老师讲解，着重掌握柔性生产系统的组成和14个环节的控制过程，为下一步虚拟仿真项目和柔性生产实践项目做好准备。
（二）虚拟仿真项目设计
虚拟仿真项目设计的目的是为了让学生更好的理解理论知识，了解理论知识应用的过程，培养学生综合应用知识的能力，为学生工程实践打下良好的基础。为此，在西门子PLC编程软件STEP7的基础上，结合PLCSIM和组态软件，搭建了虚拟仿真控制的平台，学生在虚拟仿真控制平台上，针对柔性生产系统中的特定环节控制项目完成PLC控制部分的设计，包括控制过程分析-硬件设计-程序流程设计-程序编写-下载调试一系列过程。在虚拟仿真控制平台上，学生独立完成包括来料检测单元、多轴加工单元、搬运单元、直角转弯单元、检测与分拣单元、物流仓储单元等14个单元的PLC程序的编写，通过下载到PLCSIM仿真器，实现控制系统的PLC系统虚拟模拟。以来料检测和加工单元为例，学生在熟悉控制要求的基础上，按照实验指导书要求选择PLC硬件为CPU-226并设计共含有23个点的输入输出点表后，就可以在STEP 7编程环境下进行硬件配置和梯形图的编写，编写完成后在虚拟控制仿真平台上下载到虚拟的PLC中，运行虚拟的PLC并利用变量表和符号表完成调试。整个项目设计与实际控制系统的外部设备状况隔离，学生可对外部控制器件具体的原理和实际动作暂不关心，只关注PLC控制系统项目设计的流程与具体的控制过程的编程实现，是对理论知识到实际应用的扩展，锻炼了学生从理论到实际应用的结合能力，同时为生产实践的实际应用打下良好的基础。
在虚拟控制仿真平台上，学生可对实验对象和PLC编程有更深入的理解，同时该平台具备二次开发特性，项目设计内容具有很大的开放性，对能力较强的学生，还可在平台上开展创新性实验。通过虚拟仿真项目，培养学生基本的编程能力，在实际实验系统和理论知识间加入仿真项目，学生在柔性生产实际系统上进行的实验项目便有了一定的基础，提高了实验成功率，培养学生的综合应用知识的能力和工程实践意识。
（三）生产实践项目设计
在掌握PLC控制系统项目设计流程和理论知识的基础上行，完成虚拟仿真项目设计之后，为了让学生在走出校门之前就获得工程实践的经验，设计了生产实践项目环节。生产实践项目不同于虚拟仿真项目，需要在实际的生产控制平台上完成，这就要求学生不仅仅熟悉PLC本身的知识，还需要了解常用的传感器与仪表、常用的动力机构如气缸、液压缸、直流减速电机等的原理与控制方式，结合计算机控制与自动控制原理，实现实际生产过程中具体一个流程或者设备的控制。同时，调试计算机和PLC之间、PLC和PLC之间需要数据传输，在已经固定好通讯方式的情况下，要求学生能够根据通讯协议和实际连线的情况，配置通讯参数和通讯数据，实现正常的数据传输。
以柔性加工系统综合实验室为平台，结合PLC课程实训和组态应用实训，设计了具有专业特色的实践项目共14个。在虚拟仿真项目的基础上，要求学生进行电气控制系统设计，提出控制系统方案，再运用PLC完成控制过程。项目实施过程中，以学生为主体，教师进行必要的指导和讲解。以来料检测和加工单元为例，如图1所示，通过教师讲解液压元件和电磁阀的工作原理，说明整个系统工作的流程，提出控制要求为启动后通过气缸配合，落下最下面的工件，工件落下到位后开始传输，到指定位置检测传感器检测到工件，液压机构开始对工件模拟加工，按下停止按钮后所有设备停止动作。学生根据控制要求设计接线图、对照接线图完成外部设备的接线；利用变量表进行打点，校正接线和外部设备工作状态；在教师确认接线和设备状态正常的情况下，编写PLC程序并下载、逐步完成PLC在线调试；为了实现控制过程的可视化，学生在组态软件上实现上位机监控画面的设计，通过离线仿真或者在线联机两种方式，使得学生完成整个项目上位机和下位机设计和调试的所有任务。学生通过项目实施的整个过程，能更好地理解教学内容并运用到实际中，强化学生工程实践能力，增加学生工程实践的经验，为学生今后走向相应的工作岗位打下良好的基础。
四 结语
围绕可编程控制器的实践教学，利用仿真示例与教学内容结合，通过虚拟仿真平台和实际实验实训平台结合，开展虚拟仿真项目和实验实践项目，分三层展开教学实践活动，丰富了PLC课程的教学内容，提高学生的学习兴趣的同时培养学生应用专业知识解决实际问题的能力，通过近3年不断的探索和教学实践看，分层次的实践教学使学生对PLC软硬件的理解更加深刻，能很快掌握PLC控制系统设计调试的过程，锻炼了学生编程技巧，积累了一定的编程经验，取得了很好的教学效果。
参考文献
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[4]张宝华.可编程控制器应用课程的理实一体化教学实践探索[J].教学管理与教育研究,2016,1(24):32-33.
[5]郭会娟,王斌.项目教学法在“可编程控制器及其应用”课程中的应用[J].教育教学论坛,2016(31):163-164.
[6]廖常初.PLC编程及应用[M].机械工业出版社,2013.
[7]廖常初.S7-1200/1500 PLC应用技术[M].机械工业出版社,2018.
[8]张海玮,徐柳.可编程控制器三层次实践教学[J].教育现代化,2016,3(30):188-190.
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