工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與組態(tài)技術(shù)在可編程控制器教學(xué)中的交互應(yīng)用研究

陳孟元，郎 朗

（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000）

當(dāng)前，自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展極具活力，控制理論和新技術(shù)對(duì)PLC的滲透性和互補(bǔ)性極強(qiáng)。在自動(dòng)化日新月異的發(fā)展中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件組態(tài)技術(shù)、智能控制理論使PLC如虎添翼，使其應(yīng)用面幾乎覆蓋所有的工業(yè)企業(yè)，日益躍居現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱的主導(dǎo)地位［1］。針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，高校的主要任務(wù)是要培養(yǎng)和輸送優(yōu)秀的工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用型人才［2］。所以可編程控制器課程教學(xué)改革，有機(jī)整合與PLC密切相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件組態(tài)技術(shù)，對(duì)夯實(shí)自動(dòng)化類專業(yè)的課程平臺(tái)起到了重要的作用［3］。教學(xué)過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于推動(dòng)自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新教育、培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)和全面發(fā)展的應(yīng)用型工程技術(shù)人才，有一定的理論價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。通過(guò)系統(tǒng)的鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力及增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，具有非常重要的意義［4］。

1 構(gòu)建一個(gè)創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了對(duì)可編程控制器課程構(gòu)建新的技術(shù)知識(shí)體系和實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)模式和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)建與改革刻不容緩。2007年電氣工程學(xué)院構(gòu)建了一個(gè)創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)2年的實(shí)踐，讓學(xué)生在虛擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)感受網(wǎng)絡(luò)化、分布式控制系統(tǒng)的先進(jìn)性和優(yōu)越性，為學(xué)生將來(lái)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用西門子PLC為主體，建立工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS－DP的2種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通信方式靈活多變，幾乎涵蓋工業(yè)控制領(lǐng)域所有的通信方式，完全模擬工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，被控對(duì)象有模擬電梯系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)、順控系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等。系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)控制和網(wǎng)絡(luò)控制的功能，既能單機(jī)獨(dú)立控制、獨(dú)立運(yùn)行，又能進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)操作和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)同步觀測(cè)與分析相結(jié)合，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制與信息化管理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的管控一體化，建立了監(jiān)控系統(tǒng)，并利用學(xué)院計(jì)算機(jī)房45臺(tái)PC 機(jī)對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和操作，學(xué)生一人一組，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)觀測(cè)到控制結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了資源共享。

2 課程內(nèi)容的調(diào)整和教學(xué)方法的改進(jìn)

在教學(xué)改革的過(guò)程中，按照自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)以及工業(yè)控制領(lǐng)域的需求，對(duì)其課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件、教學(xué)方法進(jìn)行全面建設(shè)，形成一個(gè)交叉補(bǔ)充、相互配合的教學(xué)資源有機(jī)整體。

2.1 課程內(nèi)容的調(diào)整

該課程系列已構(gòu)成從授課、答疑、實(shí)踐環(huán)節(jié)（包括實(shí)驗(yàn)、綜合大實(shí)驗(yàn)）到考核等的完整的教學(xué)體系，重新修訂了“可編程控制器”的課程教學(xué)大綱及“綜合性大實(shí)驗(yàn)”等項(xiàng)目大綱，從以PLC 為控制核心的控制系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)出發(fā)，整合包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組態(tài)技術(shù)等的新PLC課程理論教學(xué)內(nèi)容體系。

PLC課程40學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí)。組態(tài)技術(shù)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)在綜合大實(shí)驗(yàn)中完成，分別是30學(xué)時(shí)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)具有完整控制層、監(jiān)控管理層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層3層結(jié)構(gòu)的PLC 控制系統(tǒng)。在強(qiáng)調(diào)課程基本理論的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，凸顯了其實(shí)際工程應(yīng)用的屬性。以創(chuàng)新教育為目的，突出綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加與工程實(shí)際課題相結(jié)合的綜合大實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，使教學(xué)內(nèi)容既能適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際要求，又能使學(xué)生視野開(kāi)闊，動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉和提高［5］。

2.2 教學(xué)方法的改進(jìn)

制作了優(yōu)秀的教學(xué)課件。在教學(xué)中，多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合。以多媒體作為教學(xué)的基本工具，將得到廣泛應(yīng)用的中小型PLC，如三菱FX 系列、西門子S7系列PLC 實(shí)物圖片、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容以靜態(tài)或動(dòng)畫(huà)等形式展現(xiàn)于課堂，利用PLC的仿真軟件形象地實(shí)現(xiàn)短小應(yīng)用程序的控制原理、梯形圖功能的描述，力求課堂教學(xué)內(nèi)容豐富、生動(dòng)、形象、直觀、易于理解，加大知識(shí)獲取的信息量，緩解課時(shí)有限和教學(xué)內(nèi)容豐富的矛盾［6］。在教學(xué)中也充分利用傳統(tǒng)的教學(xué)手段，如板書(shū)、教師形體語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)等，與多媒體教學(xué)互相兼顧，相得益彰，既調(diào)整教學(xué)節(jié)奏，又給學(xué)生思考的時(shí)間。同時(shí)注意教師與學(xué)生之間的互動(dòng)交流，通過(guò)提問(wèn)、練習(xí)、學(xué)生上臺(tái)板書(shū)答案、交流討論等抓住學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生思考的熱情，提高教學(xué)質(zhì)量［7］。

3 實(shí)踐教學(xué)體系的研究與實(shí)踐

教學(xué)改革的內(nèi)容加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，凸顯了其實(shí)際工程應(yīng)用的屬性。以創(chuàng)新教育為目的，增加與工程實(shí)際課題相結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)，使教學(xué)內(nèi)容既能適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際要求，又能使學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉和提高［8－9］。

在實(shí)踐環(huán)節(jié)上從普通的驗(yàn)證性及簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，建立一套完整的相互關(guān)聯(lián)與補(bǔ)充的實(shí)踐教學(xué)體系，課外仿真與課內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象結(jié)合，基礎(chǔ)實(shí)踐與設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)踐結(jié)合，單一的控制模式與多模式結(jié)合，單機(jī)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)控制與多層網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合，本地與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，充分利用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室的資源，建立多模式、多層次、循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)規(guī)范，見(jiàn)表1。

表1 多模式、循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)層次

這種逐步擴(kuò)展、循環(huán)上升的教學(xué)目的非常明確，就是加深學(xué)生對(duì)PLC、組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理解，有助于學(xué)生建立系統(tǒng)概念，同時(shí)注重本科的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性、新穎性、綜合性、創(chuàng)新性，進(jìn)行拓展性和綜合性的教學(xué)，這是學(xué)生提高獨(dú)立開(kāi)發(fā)與綜合應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)。

學(xué)院計(jì)算機(jī)房45臺(tái)PC 機(jī)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)網(wǎng)，資源共享，參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可以一人一組對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和操作，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)觀測(cè)到控制結(jié)果。該項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容通過(guò)在自動(dòng)化2004級(jí)春、秋6個(gè)班和2005級(jí)3個(gè)班的實(shí)踐，取得了良好的效果。學(xué)生經(jīng)過(guò)綜合大實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，縮短學(xué)習(xí)和工作的差距，使得學(xué)校到單位的過(guò)渡變得很順利，特別是知識(shí)的遷移能力強(qiáng)，對(duì)新工控產(chǎn)品上手快，后勁足，提高了本專業(yè)學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，做到學(xué)以致用，為學(xué)生初次就業(yè)并很快適應(yīng)工作崗位起到了至關(guān)重要的作用，也使優(yōu)秀的畢業(yè)生可在工控領(lǐng)域的研究和系統(tǒng)集成技術(shù)方面做出有意義的貢獻(xiàn)。

每學(xué)年自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)都有部分涉及PLC、組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的課題，他們?cè)趯?dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的真正科研訓(xùn)練，初步了解了科研的過(guò)程，提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并取得優(yōu)秀的成績(jī)，為他們今后的繼續(xù)深造或工作奠定了基礎(chǔ)。

4 綜合性的教學(xué)模式為夯實(shí)自動(dòng)化類專業(yè)的課程平臺(tái)起到了重要作用

針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，實(shí)現(xiàn)我校“以主動(dòng)服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)為主線，打造我省強(qiáng)勢(shì)本科，強(qiáng)化社會(huì)服務(wù)功能，努力把學(xué)校建成特色鮮明、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的多科性大學(xué)”的辦學(xué)目標(biāo)，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)和輸送優(yōu)秀的工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用型人才，有機(jī)整合與PLC密切相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件組態(tài)技術(shù)，對(duì)夯實(shí)自動(dòng)化類專業(yè)的課程平臺(tái)起到了重要的作用。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室具備模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的功能，既能完成單項(xiàng)認(rèn)知型和綜合型實(shí)驗(yàn)，又能完成開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，既能單機(jī)獨(dú)立控制、獨(dú)立運(yùn)行，又能進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，還能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制與信息化管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的管控一體化，為學(xué)生的綜合大實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課外研究性學(xué)習(xí)、學(xué)科競(jìng)賽提供了一個(gè)全新的、開(kāi)放的、綜合的、實(shí)戰(zhàn)的、研究型學(xué)習(xí)環(huán)境，也為教師和研究生提供了當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域先進(jìn)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

在PLC的教學(xué)中采用綜合性的教學(xué)模式，與相關(guān)課程進(jìn)行緊密的知識(shí)融合，將PLC 與變頻器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及現(xiàn)代監(jiān)控技術(shù)融合，探索出課程組之間、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)之間相互交叉、相互滲透、緊密結(jié)合的教學(xué)新體系。學(xué)生通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)和研究，達(dá)到具有全面的可編程控制器的基本知識(shí)，及良好的進(jìn)行基本的系統(tǒng)分析、選型、軟硬件的設(shè)計(jì)、調(diào)試等實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力，在觸摸屏技術(shù)和工業(yè)組態(tài)軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上，了解和學(xué)習(xí)多種上位監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理方式，具備利用可編程控制器、現(xiàn)場(chǎng)總線、組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)集成的應(yīng)用能力，為畢業(yè)后的工程實(shí)踐打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

教師是教學(xué)活動(dòng)的主導(dǎo)，是教學(xué)改革的主力軍，只有高水平的教師，才能培養(yǎng)出高質(zhì)量的人才，只有具有創(chuàng)新素質(zhì)的教師，才能造就具有創(chuàng)新精神的學(xué)生。通過(guò)綜合性的教學(xué)模式和自動(dòng)化類專業(yè)的課程平臺(tái)，帶動(dòng)課程團(tuán)隊(duì)建設(shè)和水平提高，建設(shè)一支較高的教學(xué)、科研創(chuàng)新能力的教師隊(duì)伍，使教師具有引導(dǎo)學(xué)生研究問(wèn)題、幫助學(xué)生解決創(chuàng)新活動(dòng)中遇到的問(wèn)題的能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才奠定良好的基礎(chǔ)［10－11］。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組態(tài)軟件等新的PLC 課程體系的交互應(yīng)用研究，推動(dòng)了自動(dòng)化專業(yè)的創(chuàng)新教育，同時(shí)也使我們自動(dòng)化專業(yè)上水平、上臺(tái)階。我們要在探索理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)、課程的知識(shí)與能力、核心技術(shù)與支撐技術(shù)之間相互交叉、相互滲透、緊密結(jié)合的教學(xué)新體系的基礎(chǔ)上:修正教學(xué)培養(yǎng)方案和大綱，并在實(shí)施中不斷優(yōu)化；對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和資源不斷建設(shè)和優(yōu)化，更合理地開(kāi)展具有專業(yè)特色的綜合性大實(shí)驗(yàn)；將課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)與課外多種科技實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，建立和加強(qiáng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)建學(xué)生個(gè)性特色得以充分發(fā)揮的時(shí)間與空間，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課外科技競(jìng)賽、科技項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)［12］。

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