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電氣控制與PLC課程教學改革研究論文
摘要：電氣控制與PLC課程具有知識面廣、技術應用性強和涉及學科廣等特點，已經成為自動化相關專業的主干課程。在信息化和工業化深度融合的大背景下，以現有的PLC教學模式為基礎，應用多種信息物理系統（CPS）關鍵技術，融合多學科知識，對基礎理論教學環節和實驗教學環節的教學模式和教學設備進行升級改革。
關鍵詞：電氣控制與PLC；CPS；升級改革
從現有的PLC教學模式來看，教師通過PPT講解，按章將電動機或其它執行電器為控制對象的控制原理和編程方法授予學生，但是授課內容無實物對照，其概念、原理和方法都比較抽象，課堂沉悶，學生極易產生厭煩心理，對課程失去學習興趣。現有的PLC教學方式難以滿足國家社會對工程科技人才的需要。本文在分析了該課程的特點、教學目標和教學現狀以及學生學習現狀的基礎上，對該課程的理論教學環節及實踐教學環節提出具體的改進措施。
一課程升級總體思路
在現有的教學基礎上，結合虛擬現實CPS關鍵技術開發出基于西門子S7-200系列PLC控制器（或者西門子S7-1200、三菱FX2N）、仿真軟件PLCSIM、PLC編程軟件FXGPWINV3等軟件的虛擬仿真實驗教學平臺。總體思路如下：
（1）基礎理論教學環節。PLC教學的根本是課堂基礎理論教學。現如今，課堂教學廣泛采用多媒體教學方式，使得教學方式更加靈活。但是，PLC器件多樣復雜，內部機構無法直觀展現；單純的PLC程序講解抽象難懂，不能直觀展現程序控制器件的實際情況。因此結合CPS關鍵技術，加入虛擬平臺互動環節。學生對于課上講解的控制電動機或其它執行電器，可以通過手機、電腦等終端產品進行在線實物瀏覽，實現在線虛擬鏈接線路，掌握執行電器的功能和應用，同時與教師進行互動。
（2）實驗教學環節。PLC實踐教學環節是課程教學必不可少的組成部分，可以將理論知識轉化為實際運用能力，幫助學生掌握基礎知識。但是，很多高校普遍存在，實踐教學項目僅限于基礎實驗，與實際工程項目相關性不大，學生自主編程的實驗環節不多，不利于提高學生實際運用能力。因此，設計與實際工程項目聯系緊密的實踐教學實驗，結合CPS關鍵技術，融合虛擬技術和嵌入式系統技術，模擬實際工程環境，實現項目設備的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，加強了信息空間和物理空間各要素的相互映射，達到適時交互、高效協同的目的。
二課程升級具體實施方案
（一）基礎理論教學
在基于PLC現有基本理論教學模式的基礎上，加入虛擬仿真實驗教學平臺。學生在平臺上可以獲得各種相關教學信息，并不受時間地域限制完成實驗項目內容和提交報告，打破傳統課堂時空的局限，學生還能夠在網上進行與實驗相關的基礎知識測試、完成填寫實驗報告的功能，進一步減輕了教師工作量，同時方便教師查看學生成績。新加入虛擬互動演示環節：在虛擬平臺上，演示基本器件的功能，以及具體程序如何控制電動機或其它執行電器，具體的功能演示代替以前的純程序設計講解。
（二）三級項目
三級項目以討論課的形式開展實施。學生在討論課中，主要的工作就是編寫程序，進行西門子仿真，在虛擬平臺上，對三級項目程序編寫過程進行優化，學生登陸操作平臺，獲取三級項目要求，觀看項目預期效果演示。對照項目要求進行程序編寫。虛擬平臺搭載，項目實物三維對象，提供實物接口。學生把程序輸入實物PLC進行仿真。平臺根據PLC程序，仿真演示實物基于程序的實際的運行過程，并且實時反饋運行數據供平臺進行數據分析，當成程序展示效果與項目要求不符或者程序錯誤時，基于仿真反饋數據。學生根據平臺仿真后，反饋的信息和修改方案對現有程序進行修改，修改完畢，繼續執行1、2兩個步驟，直至完成項目。
（三）課程設計
根據需要設計新的課程設計項目包含醫療罐裝、立體倉儲、智慧電梯、虛擬碼垛生產線等項目，利于嵌入式、三維建模等CPS等關鍵技術對課程設計進行升級改造，將現有的項目，輸入虛擬平臺建立三維立體模型，用于教學演示與仿真模擬。學生通過教學平臺得到項目要求，在平臺上進行程序編寫，利于平臺三維模型演示、數據實時處理、虛擬狀態反饋與決策優化建議對程序進行修改和優化。嵌入控制主要針對物理實體進行控制。通過嵌入式軟件，從傳感器測量設備采集被控對象參數信息而實現“感知”，通過數據處理而“分析”被控對象狀況，通過控制目標、控制規則或模型計算而“決策”，向執行器發出控制指令而“執行”。不停地進行“感知-分析-決策-執行”的循環，直至達成控制目標。
三實踐教學實例—虛擬碼垛機
在立體貨庫中配有一臺全自動碼垛機，由二臺步進電機和一臺直流電機控制，可進行行走、升降及叉貨控制。堆垛機在行走方向共有三個限位開關：左/右極限限位開關和行走認址限位開關，行走的位置靠碰到限位開關計數來完成。堆垛機在升降方向共有四個限位開關：上/下極限限位開關、一個入庫認址限位開關和一個出庫認址限位開關，升降的位置靠碰到限位開關計數來完成。由于課程設計要發揮進一步提高學生編程能力、故障診斷調試能力和動手能力的效果，它的完成步驟相較以前的課設有較大改變。
①學生閱讀虛擬平臺給出了詳細的實驗目的和實驗要求；
②根據需要在硬件接線平臺上完成主電路和控制回路的元器件選型、布局及接線，選擇按鈕、接觸器、中間繼電器、電動機等器件，完成實物接線；
③完成硬件設計后，學生可通過平臺打開編程器，完成項目軟件設計；
④硬件組態。在設備與網絡中選擇所需控制器，并完成Ｉ/Ｏ地址、通信參數等屬性內容配置；
⑤程序設計。添加PLC變量，在主程序中完成程序編寫，在平臺進行仿真和程序修改；
⑥程序下載。完成程序調試后，根據程序進行硬件的連接，并完成程序下載；
⑦程序下載后，可基于此平臺完成軟件協同調試，返回至仿真平臺的硬件接線平臺，驗證硬件設計及接線是否正確；
⑧點擊“開始仿真”并將仿真器置為運行狀態，在實物接線平臺下方設計一排器件操作開關和按鈕。
點擊“斷路器”上電，按下“正向啟動按鈕”，可以觀察到正轉運行回路接通，按下“停止按鈕”，電機停止運行。硬件接線平臺可用于觀察電流通路，判別硬件回路接線是否正確。以上步驟，通過動態虛擬仿真，使學生掌握PLC控制電機正反轉的基本工作原理，進一步理解控制電機正反轉的基本原理和工作特性；通過靜態繼電器的測試，使學生掌握各類繼電器的相關特性。可以讓學生更好的操作項目流程的各個步驟，體會實際PLC項目的操作理念。四教學成果在整個實踐教學環節，教學平臺只提供設計思路以及指標要求，學生在設計的過程中，自己查找資料，確定項目實現方案，學生解決問題的能力明顯提高，由于不受思維的限制，也開發了學生的創新思維，學生參與到實踐教學環節的全過程，設計熱情高漲，理論知識掌握牢靠，深刻理解了工程項目設計理念，專業素質明顯提高。
五結語
本文提出的基于信息物理系統的電氣控制與PLC課程教學改革方案，可以讓學生將理論和實際相結合，讓學生對PLC基本理論有清晰的認識，有效的提高學生的自主學習能力、解決問題的能力、動手能力等，對實際的工程項目流程有清楚的了解，有效的掌握解決工程實際問題的方法。
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