電氣控制與PLC多層次實踐教學平臺的構建

李自成，孔慶堯，王后能，熊 濤，曾 麗

（武漢工程大學電氣信息學院，武漢 430205）

0 引言

隨著工業(yè)自動化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展，智慧工廠已成為工業(yè)發(fā)展的未來方向。國內外對制造業(yè)的發(fā)展均十分重視，并針對其制定一系列策略。在國外，德國制定“工業(yè)4.0”、美國制定“工業(yè)互聯(lián)網”，國內也對應制定“中國制造2025”，各國制造業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略對于未來的工程技術人才要求也逐漸提高［1-3］。因此，在電氣類、自動化類專業(yè)培養(yǎng)方案中，一般開設電氣控制與PLC這一面向智能制造領域的重要專業(yè)課程。目前課程教學一般采用傳統(tǒng)的理論與基礎實驗相結合的模式，但是理論與實驗容易脫節(jié)，學生缺乏獨立動手、獨立解決問題的機會，因此學生的綜合工程實踐能力無法得到培養(yǎng)，實踐教學效果不佳。近年來，很多高校依托與本專業(yè)相關的企業(yè)和學科競賽開展實驗室實踐探索和教學模式改革，取得一定成果并構建出不同的實踐教學體系［4-9］。本文在多年電氣控制與PLC 教學實踐基礎上，結合本校參加“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽和“臺達杯”高校自動化設計大賽的經歷，通過對基礎實驗、虛擬仿真實驗、綜合課程設計和各類競賽項目的統(tǒng)一內容規(guī)劃和銜接，構建了一套能滿足電氣控制與PLC 實踐教學需要的多層次實踐教學平臺。經近幾年的實踐證明，學生的實踐教學興趣、工程素養(yǎng)和工程設計能力大大提高，畢業(yè)生也受到用人單位的好評。

1 實踐教學與大學生綜合能力培養(yǎng)

高校對學生綜合能力培養(yǎng)中，實驗室是最主要的實踐教學場所，對學生保持開放已經成為我國高校實驗室發(fā)展的必然趨勢［10-16］。以學校實驗室為基礎、各類學科競賽為依托、教學自學相結合為手段，構建多層次實踐教學平臺，在培養(yǎng)學生綜合能力的同時，也在一定程度上促進實驗室進一步發(fā)展。

實踐教學和理論教學的不同點在于，理論教學更加偏向于個人研究，而實踐教學更加注重團隊合作。在以學科競賽為依托的實踐教學中，學生會面對一個綜合性強、系統(tǒng)復雜、應用性強的問題。因此，學生需要將個人研究和團隊合作相結合，在以個人為單位學習到基礎知識后，再以團隊合作的形式共同解決復雜問題。學生在合作中進一步拓寬知識層面，提高團隊協(xié)作能力。

電氣控制與PLC 包括傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)和面向工業(yè)自動化的PLC 控制系統(tǒng)，前者是后者學習的基礎。該課程涉及繼電器接觸器控制系統(tǒng)、PLC 邏輯控制系統(tǒng)、PLC運動控制系統(tǒng)、PLC 過程控制系統(tǒng)等，其實踐教學效果對培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力尤為重要。因此，需要對基礎實驗、虛擬仿真實驗、課程設計和學科競賽進行統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施，培養(yǎng)大學生綜合工程設計能力。

2 多層次實踐教學平臺構建

在實驗室建設中，實驗室以比賽項目為依托搭建多層次實踐教學硬件實驗平臺，如圖1 所示。

平臺分為3 個層次。

（1）實驗箱基礎教學平臺。實驗箱中控制器采用西門子PLC S7-300，配合實驗箱面板可實現(xiàn)理論教學中的基本實驗。

（2）虛擬仿真教學平臺。此平臺是以PLC S7-1200 為控制核心的電梯運行仿真平臺，通信方式有兩種，①泗博PM125為設備基礎的PROFIBUS DP通信方式，②以太網通信方式。形成一套以PC 機為監(jiān)控對象，PLC為控制中心，EET電梯仿真為被控對象的編程仿真教學平臺。

圖1 多層次實踐教學平臺

（3）綜合課程設計及學科競賽教學平臺。此平臺主要包括運動控制和工業(yè)網絡兩個方向。其中運動控制平臺是以PLC S7-300 和變頻器S120 為核心，通過兩個電動機協(xié)作控制保證卷繞傳送帶恒速恒壓。工業(yè)信息網絡實驗平臺以安全模塊S615 和路由器XM408為核心，通過網絡架構設計保證工業(yè)網絡中信息傳遞的穩(wěn)定性、正確性和安全性。

多層次實踐教學平臺激發(fā)了學生動手實踐的積極性，鍛煉和提高了學生的個人能力，同時也豐富了理論教學內容。在電氣控制與PLC 的傳統(tǒng)理論教學中，老師主要根據(jù)教材講解其應用背景、基本原理和簡單控制策略，缺少綜合項目的實際應用。多層次實踐教學平臺的建立幫助老師在完成基礎知識講解后，結合平臺中對應的實際項目進行實踐講解，理論與實踐相輔相成。

3 多層次實踐教學體系的實施

3.1 以運動控制為例

綜合性問題的解決是循序漸進的過程，因此在多層次實踐教學體系中將整個過程分為3 個階段，下面以運動控制教學為例進行介紹。

（1）基礎編程教學，利用實驗箱基礎教學平臺。平臺中控制器為西門子PLC系列中的S7-300，可以在PC機中使用TIA 博途上位機軟件進行編程。通過指導學生實現(xiàn)理論教學中的交通燈實驗及模擬電動機正反轉實驗，對學生的基礎編程能力進行培訓，為后續(xù)解決復雜問題打下基礎。

（2）虛擬仿真教學，利用虛擬仿真教學平臺。綜合性問題的解決比較復雜，因此要先在虛擬仿真平臺上實現(xiàn)控制算法，證明其有效性后再應用于實物平臺。虛擬仿真教學平臺是將虛擬電梯系統(tǒng)作為被控對象，使用的PLC 為西門子S7-1200，可實現(xiàn)PROFIBUS DP和以太網兩種通信方式。不同通信方式在TIA博圖軟件中的編程方式不同，可進一步鍛煉學生在不同環(huán)境下的編程能力。通過PLC 實現(xiàn)編程控制的同時也需要上位機對虛擬電梯系統(tǒng)進行監(jiān)控，本平臺使用與TIA博圖軟件兼容的Wincc 繪制上位機監(jiān)控界面，實現(xiàn)對虛擬電梯系統(tǒng)的在線實時監(jiān)控。除此之外，虛擬仿真教學平臺還可通過使用PLCSIM軟件對PLC進行仿真，在無硬件設備的情況下實現(xiàn)對控制算法的仿真。本平臺對學生的設備通信、程序編寫、監(jiān)控畫面繪制和仿真實現(xiàn)能力進行鍛煉，提高了學生工程項目解決實際問題的能力。

（3）綜合設計及實現(xiàn)教學，利用運動控制平臺。

此階段分為設計解決方案、實際操作兩個步驟。設計解決方案要求學生以實際生產項目為背景，在對綜合性問題分析后進行設計，并將解決方案以論文的方式寫出工程文檔。指導老師對工程文檔審核通過后，學生方可進行實際操作。在實際操作中，學生將程序編寫完成并繪制出監(jiān)控界面后，先通過PLCSIM 軟件進行仿真，仿真通過后選擇其中一種通信方式連接硬件進行實驗驗證，網絡結構如圖2 所示。圖中，PLC為控制器，PG／PC可對PLC進行程序編寫，并通過S120 驅動器控制運動控制平臺中電動機卷輥的運行。HMI為觸屏監(jiān)控設備，監(jiān)控畫面在軟件中繪制完成后可以燒寫入HMI，對平臺中的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，監(jiān)控畫面如圖3 所示。設計工程文檔可以將學生的基礎知識融會貫通，實際操作能提高其動手能力和綜合能力。

圖2 運動控制網絡結構

3.2 賽項培訓及選拔

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽和“臺達杯”高校自動化設計大賽作為教育部高校自動化類專業(yè)教學指導委員會主辦的兩個重要賽項，其選題與本實驗室所研究的電氣控制和PLC 相關性極強，因此選擇這兩項比賽作為構建多層次實踐教學平臺的依托。“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽重點關注制造業(yè)在自動化、智能化過程中所遇到的實際問題，培養(yǎng)學生的問題解決能力和實踐動手能力?！芭_達杯”高校自動化設計大賽重點關注當前自動化行業(yè)中的熱點與痛點，著重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

參賽隊員在進入實驗室時并不會局限于固定的比賽賽項進行學習，而是首先進行全賽項的了解，并根據(jù)學生的個人興趣進行自主學習。針對不同賽項選出往屆取得優(yōu)異成績的學生作為賽項培訓人，參賽學生在自主學習中遇到困難時可以向各賽項培訓人進行咨詢。在培訓過程中，針對比賽的選拔也會同步進行，校內的選拔主要分為3 個階段。

（1）個人賽。新一屆參賽學生剛進入實驗室時，上一屆比賽剛結束不久，新進入實驗室的學生以熟悉設備和比賽賽項為主，這一階段主要為淘汰一部分臨時起意的人，因此以個人為單位進行選拔。培訓主要有兩部分，①指導老師和往屆參賽學生進行賽項簡介和比賽心得分享；②定期由賽項負責人組織小組會議，對上一階段學習遇到的問題進行統(tǒng)一解答，并為下一階段學習提出要求。培訓一到兩個月后分不同賽項進行統(tǒng)一選拔，選拔出具有知識儲備，并能解決綜合項目的同學。

（2）團隊賽。經過首輪選拔后，在同一賽項內根據(jù)學生的個人意愿進行3 人組隊，此時新一屆比賽的賽題還未公布，因此使用往屆兩年的賽題作為選拔題目。該階段的培訓主要是指導老師對各個隊伍進行輔導，指導學生制定工程文檔，并針對不同賽項提出相關的控制策略，為學生提供解決問題的方向。這一階段的培訓持續(xù)到新一屆比賽報名前，并以團隊為單位進行選拔，題目為往年真題，選拔出已經制定好工程文檔并實現(xiàn)，具有參賽能力的隊伍，每個賽項的隊伍數(shù)量原則上不超過3 個。

（3）挑戰(zhàn)賽。此階段從比賽報名開始持續(xù)到報名結束前，選拔題目為新一屆比賽樣題，主要是給之前已經淘汰的學生參賽機會，并進一步激發(fā)已獲得參賽資格隊伍的積極性。之前選拔中被淘汰的學生可以自由組隊，并針對本屆比賽的樣題進行攻關，若在報名結束前能全方位超越其中1 個已具備參賽資格的隊伍，就可將其取代，代表學校參加省賽。

4 多層次實踐教學平臺取得的成績

4.1 各項比賽取得的成果

自學校開始參加“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽和“臺達杯”高校自動化設計大賽這兩項賽事以來，學生在多層次實踐教學平臺的培訓下已經取得很多成績。

“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽，華中賽區(qū)特等獎、一等獎、二等獎、三等獎均斬獲多項。國家級獎項中，工業(yè)信息組獲全國特等獎、二等獎各1 項，邏輯組獲全國二等獎2 項，運控組獲全國二等獎2 項?！芭_達杯”高校自動化設計大賽獲二等獎1 項，三等獎1 項。

4.2 學生綜合能力的提升

通過實踐教學平臺，學生的綜合能力得到很大提升，主要體現(xiàn)在兩個方面。①復雜問題的解決能力，多數(shù)學生在大學階段能接觸學習到很多理論知識，但并沒有太多機會把理論與實踐相結合，將比賽題目作為綜合性項目，學生在解決問題的同時掌握自主研發(fā)的基本方法，從而積累了一定的項目經驗，為未來成為一個優(yōu)秀的工程師打下基礎。②團隊協(xié)作能力，在實踐教學中學生3 人1 組，雖然隊伍中每個人承擔不同職責，但是當其中一人遇到問題時，需要隊伍內的所有成員共同協(xié)作解決，從而提高學生的團隊協(xié)作能力，為未來工作進行鋪墊。

5 結語

以“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽和“臺達杯”高校自動化設計大賽為依托，探索并構建電氣控制與PLC多層次實踐教學平臺。在此基礎上形成一套合理的實踐教學體系，不僅提高了學生的理論知識應用能力，更是提升了學生的綜合能力。學生在參加比賽獲得成果的同時，也重新回歸實驗室培養(yǎng)新隊員，促進實驗室建設的不斷發(fā)展。