可编程序控制器教学现状分析及课程建设研究

时间：2015-12-21 02:03:40 所属分类：计算机技术 浏览量:

摘要：针对高职院校的教学特点，分析了PLC实践教学的现状和主要问题，从理论教学、试验教学和综合实训教学几方面对课程改革进行了探讨和研究并提出了建设方案。通过教学实践证明，可以取得良好的教学试验效果。 关键词：PLC 可编程序控制器 教学 实践 可编程

摘要：针对高职院校的教学特点，分析了PLC实践教学的现状和主要问题，从理论教学、试验教学和综合实训教学几方面对课程改革进行了探讨和研究并提出了建设方案。通过教学实践证明，可以取得良好的教学试验效果。

关键词：PLC 可编程序控制器 教学 实践

可编程序控制器以其价格便宜、可靠性高、简单易懂、操作灵活等特点得到各行业控制领域的认同和推广。随着可编程序控制器在各行业的广泛应用，现代企业对PLC技术人员的需求日益增大。对于广大高职院校学生来说，它已不仅仅是一门课程，而是一项实用性较强的技术，掌握了这门技术，毕业后可直接应用于工作实践。

本文对现有教学方法进行了详细的分析，找出其问题所在，并从课程教学设计、课程试验、综合实训设计几方面就可编程序控制器的教学进行了探讨和研究，以达到深化学生的理论知识，使学生全面掌握PLC技术，培养高素质的应用型人才的目的。

一、目前高校可编程序控制器实践教学现状及主要问题

目前国内高校在PLC课程教学中普遍面临问题是教学设备落后，跟不上PLC产品的更新换代的问题。在这方面，我校做得较好，我们选用西门子S7-200系列PLC作为教学对象，西门子公司PLC在国内的市场占有率比较高，加上该设备上市时间不长，预计在未来很长时间那都将占有市场。尽管如此，在教学中，我们仍然面临很多问题急待解决。

（一）教学大纲内容众多与课时有限之间的矛盾，教材的不适用。

目前的PLC课程主要包括两方面的内容：一是低压电器控制，二是可编程控制器原理及应用，另外还可能涉及组态软件设计。教学内容众多，且都是实践性很强的项目，造成教学内容和课时之间的矛盾。另外，也是由于该课程包括两大部分不同内容，使得教材的选择变得很难，通常两方面都涉及的教材对PLC的内容讲述就变得很少，并且主要集中在编程指令的说明上，缺少案例分析，不易于学生对课程的理解。[1]

（二）传统授课方法造成理论与实践脱节。

PLC的指令熟悉与掌握建立在编程练习的基础上，我们目前的教学方式多是在教室上课讲述指令，之后到试验室去做试验，可是试验内容并不一定直接与最近讲授的指令相关。造成学生上课没有兴趣，试验时又由于缺乏理论基础而不会编程的窘境。

（三）教学试验资源有限，实验项目设计不合理，试验中进行重复性编程练习

PLC 课程是一门实践性很强的专业课程，课程的开设有三分之一到二分之一的课时是实验课，但在实验室做该课程的实验又有其局限性，一般的 PLC 实验台，配备的是一台 PLC 基本单元，若干实验挂件，要实现的控制不但受挂件的限制，还受基本单元的功能的限制，如何在有限的实验条件下，让学生掌握好PLC 的应用，是摆在我们面前的课题。

我校的 PLC 实验台是天煌教仪的 THSMS-C 网络型可编程控制器实验台，该装置采用的是Siemens S7-200系列PLC配备 CPU224CN，扩张了功能模块EM223，及若干实验挂件。目前针对试验装置开设的十四个实验中不是简单的开关量控制的验证性实验，简单的开关量的重复编程，就是控制要求过于复杂的程序设计，在教学中不能收到良好的教学效果。例如就试验挂箱中的五相步进电机模拟、喷泉控制、8段显示器设计三个试验，虽然控制对象不同，但程序设计思路一致，学生在3个试验中做得工作是对相同指令的重复性编程练习。

（四）偏重编程练习，对实际项目缺乏整体认识

PLC本来是理论与实践的结合，硬件与软件的统一，可是在试验中，学生了解主要是PLC的软件编程，对于其在工业控制中的地位、作用、和用法仍然缺乏整体认识。

（五）综合实训项目单一，与实际工作现场出入太大

综合实训本来的目的是对PLC及其相关内容的整合，使得学生对PLC控制有一个整体认识，但由于在实训设计中缺乏控制对象，使得学生的实训内容在很大程度上变成了对一个相对复杂的系统的程序设计，学生对PLC的实际用途仍然不了解，对PLC在实际工作现场的作用仍然缺乏认识。

另外，目前开设实训项目单一，而学生水平不一，针对不同学生进行不同项目的实训设计，又利于更好的激发全体学生的积极性，也可以通过观察其他项目的设计安装，使学生们对PLC控制系统有更深层次的了解。

可编程序控制器作为电气自动化专业的重要主干课程之一，具有知识覆盖面广，更新发展速度快，既强调理论又偏重实践，与实际生产和应用紧密结合的特点。学生掌握后，可将这项技术直接应用于工作需要。可是目前的教学和实践存在上述诸多的问题，严重影响了PLC教学效果，分析PLC课程特点，对PLC的理论教学和试验教学进行改革，对于促进PLC技术的发展和传授具有重大的意义。

二、可编程序控制器教学改革方案

（一）教学环节改革

经过一学期的教学实践，对教学环节存在的问题有了把握，并在实践的基础上，提出以下措施和方案。

1、将理论教学、实物直观教学、多媒体教学相结合

充分利用多媒体教室，制作整个课程的多媒体课件。在课件中引用大量的实物图片，使学生对PLC有直观的认识；在教学中对程序设计加入现场仿真调试，一方面在不知不觉中介绍了软件的使用，另一方面增强了学生的兴趣，使学生看到的不再是单纯的理论分析，还有直观的运行状态和结果。[2]

将理论教学与实物参观相结合，例如在讲PLC硬件时即可带学生到实验室参观学习，要学生结合眼前看到的器件，分析PLC的型号、接口特点和I/O地址分配，可取得事半功倍的效果。

2、在软件编程教学中坚持以案例为教学主线

根据教学目标和教学内容，通过典型而实用的案例，引导学生分析、讨论、设计程序，引发学生的学习兴趣。在案例选择上，应捉住当前授课内容的重点和难点，注意案例覆盖的知识面，寻找有代表性的案例。透过案例分析，使学生能够比较容易的了解指令特点，比较深入地掌握授课内容。

（二）试验设计

试验设计的总体思路是以学生为主体，教师指导，变验证性试验为多种形式的设计性试验。将试验分为：验证性试验、读程序和修改程序、设计性试验三大类。验证性试验是基础试验，主要针对基本编程指令设计，目的是使刚接触PLC的学生能够很好地理解PLC的工作方式和它的基本指令用法；对程序和程序修改试验作为验证性试验和设计性试验的过渡，根据一定实践案例的控制要求，给出控制程序，能实现其一定功能又存在问题，训练学生读程序和调试程序的能力；设计性试验是对已学知识的一个综合应用，在题目选择上要侧重不同的指令编程方法，避免将这类试验编程对一类指令的重复练习。[3]

1、在验证性实验中，由于梯形图的编写和理解都比较简单，学生只需选做三个开关量控制实验即可，包括：

（1）基本位逻辑指令的练习

主要是训练学生运用 PLC 的三大编程语言编程，PLC 的 I/O 地址分配，外围电路的接线。通过此类实验学生能加深对 PLC 的认识，理解输入输出单元的分配，梯形图的编写，掌握 PLC 的使用。

（2）定时器与计数器指令的使用。

定时器和计数器在PLC编程中有着广泛的应用，通过这个试验，掌握三种定时器与三种计数器的特点和使用方法。

（3）顺序控制实验

PLC 顺序控制程序是应用状态转移图编写的，状态转移图是 PLC 三种主要的编程语言之一，该编程方法将控制过程划分为若干个状态，各状态具有不同的动作，状态间满足条件就实现转换。在一些复杂的控制系统中，往往采用顺序控制编程，可以简化程序，使程序具有直观易懂的特点。

2、读程序和修改程序

对程序的阅读和修改不再建立在对基本指令的理解上，而是针对一个实用的、具体的控制案例，给出控制程序，该程序可以实现控制的基本要求，同时又存在部分问题。通过学生对案例的分析，读懂程序，找到程序的问题所在，并训练学生对程序的修改和调试能力。这类试验主要针对控制要求相对复杂的系统，学生下载程序到PLC后能够看到直观的运行效果，又很容易找到程序的症结所在，自然对修改它产生了兴趣，从而达到较好的实验效果。另一方面，学生也能通过这类程序，借鉴他人编程的思路，也为独立设计程序打好了基础。

3、设计性试验

设计性试验所占比例较大，在试验的选择上，要注意实用性、典型性，同时每个试验针对不同的指令或不同的编程方法又需要各具重点。教师在试验前，可给予学生适当的提示或给出基本的设计思路或提出程序设计中需要注意的问题，而程序的主题由学生独立完成。

4、功能模块实验

PLC 的功能模块的多少和功能的强弱，直接反映该系列 PLC 的性能，正是功能模块的发展，使 PLC的应用范围越来越广，功能越来越强大，实验室不可能将所有的功能模块购置回来，但功能模块的使用是 PLC 课程重要的一个环节，在课程内容上需对功能模块做一个较全面的介绍，从模块的技术指标、模块的连接及编号、模块的地址分配，到基本单元对功能模块的读写操作，利用实验室的EM235模块，设立综合性、设计性实验——“模拟温度控制”，在该实验中，可培养学生的动手能力，实践能力，学生利用该模块，自己设计检测电路部分、模拟信号输入部分、基本单元与功能模块的读写操作、控制信号输出部分，是一种综合知识的运用和实践动手能力的锻炼。

5、 PLC 通信实验

随着工业自动化的发展和控制系统集成度的增高，PLC作为工业控制的三大支柱之一，PLC控制系统的网络化越来越普遍，让学生尽可能地接触和掌握 PLC 通信的内容，也是为社会输送具有现代控制技术和能力的具有竞争力的毕业生的需求。

开设设计性、综合性实验——“PLC 通信结构的设计及数据通信的实现”，全面掌握 PLC联网通信以及上位PC机对PLC的现场通信控制。

6、仿真试验

受试验室硬件设备和条件限制，为了给学生提供更多的实践机会，可以指导学生利用仿真软机设计和调试程序。目前大多数公司的产品都提供仿真软件，它不需要实际的硬件设备，就可以扩展教学试验范围，学生学会后也可在自己的电脑上做编程练习和完成习题，从而提高学生的研发能力。[4]

（三）综合实训设计

通过PLC的试验，学生可以掌握PLC的基本编程方法和I/O接口的接线方法，但对于提高学生对实际项目的整体认识，深入了解PLC在控制系统中的作用和用法，它的收效甚微。而进行综合实训设计在这方面具有很好的效果。

1、设计思路和内容

综合实训设计的总体思路是使学生对控制系统从项目建立、项目分析、项目设计、项目施工到相应电气文档的建立做一个全面的接触和了解。

实训内容包括： (1)项目分析及项目选择

(2)系统设计

(3)软件程序分析与设计

(4)项目施工设计

(5)图纸绘制

(6)安装调试

(7)上位机监控界面设计与调试

2、试验项目的选择

在实训项目的选择上，既要兼顾不同学习程度学生的要求，又要考虑系统的典型性。经过精心研究考虑，选定三个课题：交通灯控制系统、电机的顺序启动、停止设计、双容水箱控制系统，这三个系统在电气线路、程序设计上均各具特点：

交通灯控制系统的电气控制线路相对简单，控制柜小；程序复杂，涉及定时器的使用，顺序控制的实现、LED数显的驱动等方面内容。

电机的顺序启动、停止设计不只涉及PLC课程内容本身，还设计低压电器控制方面的知识，控制柜和控制线路相对复杂。

双容水箱控制系统要用到模拟量输入/输出扩展模块的使用和传感器的使用，控制对象真实、直观。

三、结束语

PLC是一门实践性强的教学课程，通过对PLC课程问题的分析和教学过程中的实践，找到PLC教学的症结所在，对于提高教学质量，提高学生对所学知识的综合运用能力，加强学生动手和实践能力，提高学生就业竞争力具有重要的意义。

通过对 PLC 教学的设计，主要是试验环节的设计，使PLC的理论基础和试验内容很好地结合到一起，通过综合实训的设计，提升了我学院PLC实验室的试验层次，从单一的位逻辑控制走向了多层次、多方向的综合性设计，也为其他专业课程的实践教学提高了参考。

参考文献：

[1]常文平.电气控制与PLC原理及应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2006

[2]浦玉兴, 李广兵. 可编程序控制器（PLC）教学实践[J]. 长沙航空职业技术学院学报, 2003,(3): 12-15

[3]李新兵. 《电气控制及可编程控制器》课程教学改革与实践[J]. 中国现代教育装备, 2006(12): 33-35

[4]潘庭龙, 陈尔奎. 可编程控制器教学方法探讨与实践[J]. 边疆经济与文化, 2006, (3): 105-151

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