基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的PLC實(shí)訓(xùn)體系研究
——以黎明職業(yè)大學(xué)為例

吳文廷

PLC控制技術(shù)作為工業(yè)控制領(lǐng)域的三大技術(shù)支柱之一［1]，占據(jù)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重要地位［2]，其相關(guān)課程是高職院校電類專業(yè)中的核心課程.在“PLC”課程改革建設(shè)中遵循“以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向”［3]，把培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的PLC技術(shù)、技能，滿足企業(yè)對具有工程實(shí)踐能力的人才需求作為課程的教改目標(biāo).而“PLC”是一門實(shí)踐性、工程性很強(qiáng)的課程，實(shí)訓(xùn)課時(shí)占到50%以上，因此，能否把“PLC”課程改革好、建設(shè)好，關(guān)鍵在于PLC的實(shí)訓(xùn)體系的完善.

已有的PLC實(shí)訓(xùn)體系多數(shù)是用來驗(yàn)證課程里的指令、功能等一些簡單的實(shí)踐活動(dòng)，難以適應(yīng)新時(shí)代高職職業(yè)教育的需求.為了能夠適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的需求和企業(yè)對高校培養(yǎng)的PLC控制技術(shù)應(yīng)用人才無縫對接的需求［4]，需要基于工程實(shí)踐能力研究，重新構(gòu)建PLC實(shí)訓(xùn)體系.

1 PLC實(shí)訓(xùn)體系存在的問題

1.1 PLC實(shí)訓(xùn)體系與企業(yè)實(shí)際應(yīng)用存在差異

目前的PLC實(shí)訓(xùn)體系實(shí)訓(xùn)室的配電及其硬件設(shè)施與企業(yè)存在著差異，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與企業(yè)的PLC技術(shù)應(yīng)用及其技能要求存在著脫節(jié)的現(xiàn)象，實(shí)訓(xùn)過程與企業(yè)的工作生產(chǎn)工藝流程不一致，這些差異導(dǎo)致現(xiàn)有的PLC教學(xué)過程多以基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)際動(dòng)手的工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，造成學(xué)生的工程實(shí)踐能力不強(qiáng)，畢業(yè)后很難直接將在校學(xué)到的技術(shù)技能應(yīng)用到工作中.

1.2 校企合作實(shí)施過程中存在一定的困難

為了能讓學(xué)校培養(yǎng)的人才滿足企業(yè)的需求，很多高職院校希望與企業(yè)合作共建PLC實(shí)訓(xùn)體系，以“工學(xué)合作”培養(yǎng)模式培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力.但在這一合作、運(yùn)行過程中存在著“校熱企冷”的現(xiàn)象，學(xué)生到企業(yè)去生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)常是做一些簡單的操作，技術(shù)技能含量低，很難實(shí)現(xiàn)對某一具體工程項(xiàng)目進(jìn)行完整性的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，達(dá)不到技術(shù)技能培養(yǎng)目標(biāo).另外，學(xué)校與合作企業(yè)之間的距離往往比較遠(yuǎn)，學(xué)生疲于來回奔波，學(xué)校來回接送學(xué)生的運(yùn)行成本也比較高，校企兩地的教學(xué)與學(xué)生的管理也存在一定困難.

2 構(gòu)建具有工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的PLC實(shí)訓(xùn)體系

針對PLC實(shí)訓(xùn)體系存在的問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)深入企業(yè)生產(chǎn)一線調(diào)查研究，獲取企業(yè)典型PLC控制工程項(xiàng)目的相關(guān)資料，立足于校內(nèi)資源，依據(jù)企業(yè)的真實(shí)生產(chǎn)情境建設(shè)實(shí)訓(xùn)室，如實(shí)訓(xùn)室的硬件設(shè)備、布局、配電等，使實(shí)訓(xùn)室既符合企業(yè)車間的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)條件，又能保證理實(shí)一體化教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的開展，基于實(shí)訓(xùn)室的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)條件，依據(jù)企業(yè)典型PLC控制工程項(xiàng)目，開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，按企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程來組織實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，構(gòu)建基于校內(nèi)實(shí)訓(xùn)資源培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)技能與工程實(shí)踐能力，符合黎明職業(yè)大學(xué)智能制造專業(yè)群的職業(yè)能力的培養(yǎng)目標(biāo)——培養(yǎng)學(xué)生成為具有扎實(shí)的工程實(shí)踐基礎(chǔ)、較強(qiáng)的可持續(xù)發(fā)展能力的技術(shù)技能型人才［5].

2.1 企業(yè)典型PLC控制工程項(xiàng)目調(diào)查

為了了解PLC控制技術(shù)在企業(yè)工程中的典型應(yīng)用，PLC建設(shè)團(tuán)隊(duì)深入企業(yè)進(jìn)行調(diào)查、研究，歸納總結(jié)出PLC技術(shù)在企業(yè)工程中主要技術(shù)應(yīng)用示意圖（圖1），并依據(jù)調(diào)研結(jié)果制作出企業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中主要涉及PLC技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)框圖（圖2），作為構(gòu)建PLC工程實(shí)踐能力實(shí)訓(xùn)體系的依據(jù).

圖1 PLC技術(shù)在企業(yè)工程中的主要應(yīng)用示意圖

圖2 PLC控制技術(shù)工程應(yīng)用系統(tǒng)框圖

PLC控制系統(tǒng)主要由人機(jī)界面（HMI）、PLC、通訊、輸入、輸出等構(gòu)成.其中HMI負(fù)責(zé)提供可視化界面，提高系統(tǒng)操作性［6]；PLC是控制系統(tǒng)的核心；通訊負(fù)責(zé)溝通各種設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)擴(kuò)展性；輸入負(fù)責(zé)接收各種傳感器數(shù)據(jù)和信號(hào)，提供邏輯依據(jù)；輸出負(fù)責(zé)輸入各種電信號(hào)給對應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備，執(zhí)行設(shè)備按接收到的電信號(hào)有序執(zhí)行［7].

HMI一般有觸屏和PC兩種，少數(shù)情況直接使用按鈕信號(hào)柜.PLC的輸入信號(hào)分為無源信號(hào)和有源信號(hào)，無源信號(hào)主要是按鈕、開關(guān)等機(jī)械觸點(diǎn)；有源信號(hào)主要是金屬接近開關(guān)、鉑電阻、旋轉(zhuǎn)編碼器等光電傳感器.PLC的輸出信號(hào)通常是數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，常用的PLC輸出控制對象有三相異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、指示燈、繼電器、接觸器、電磁閥、指示燈、加熱器等.通訊主要分為本地通訊和網(wǎng)絡(luò)通訊兩部分，其中，本地通訊指上述各種信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)通訊主要指基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制.

2.2 PLC實(shí)訓(xùn)體系硬件設(shè)施設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)訓(xùn)室常用設(shè)備、器材等的配備

依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)操作需求配置設(shè)備、器件、工具、耗材、勞保用品等，確定學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)能夠安全、順利地開展.

如表1所示的是實(shí)訓(xùn)室配備的PLC控制系統(tǒng)常用設(shè)備一覽表，包括：PLC、觸摸屏、變頻器、三相異步電動(dòng)機(jī)、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、雙速異步電動(dòng)機(jī)等.

表1 實(shí)訓(xùn)室配備常用實(shí)訓(xùn)設(shè)備一覽表

考慮到企業(yè)設(shè)備更新?lián)Q代比較快，同時(shí)兼顧老舊設(shè)備并存的現(xiàn)象，PLC選用西門子兩款型號(hào)，一種是S7?200舊型號(hào)，該型號(hào)在企業(yè)中還大量存在，在舊機(jī)臺(tái)上廣泛應(yīng)用；一種是目前西門子的主流產(chǎn)品S7?1200，企業(yè)新開發(fā)的機(jī)電產(chǎn)品、自動(dòng)化生產(chǎn)線、智能控制系統(tǒng)中，一般選擇S7?1200系列產(chǎn)品.S7?200 CPU款PLC帶有兩路模擬量輸入、一路模擬量輸出，可以應(yīng)用于溫度、流量等過程量的控制.S7?200 CPU224 XP DC/DC/DC和S7?1215C DC/DC/DC各有2路、3路高速脈沖輸出，均可用于伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制.

表2所示的是實(shí)訓(xùn)室配置的電工工具一覽表，為學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)踐提供較為完備的電工檢測與施工工具.

表2 實(shí)訓(xùn)室常備電工工具一覽表

表3所示的是實(shí)訓(xùn)室配置的器件、耗材一覽表，包含了電控柜常用的電器器件（空氣開關(guān)、熔斷器、接觸器、繼電器、熱繼電器、指示燈、按鈕等）、布線用的耗材（導(dǎo)軌、線槽、端子排、軟件導(dǎo)線、線鼻子、號(hào)碼管等）.

表3 實(shí)訓(xùn)室常備器件、耗材一覽表

2.2.2 實(shí)訓(xùn)室的布局規(guī)劃

基于理實(shí)一體化教學(xué)、仿照企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)場景進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室的規(guī)劃布局.

圖3所示的是PLC實(shí)訓(xùn)室的布局示意圖.PLC實(shí)訓(xùn)室長19.5 m，寬8.4 m，室內(nèi)面積163.8 m2.左側(cè)配有12張2.0 m×1.0 m寬的大實(shí)訓(xùn)桌，共24個(gè)工位，作為理論教學(xué)與實(shí)踐操作綜合區(qū)域；右側(cè)是參照企業(yè)電控柜安裝與調(diào)試的真實(shí)生產(chǎn)情境而布置的工程實(shí)踐操作區(qū)，12個(gè)工作面，每個(gè)工作面的面積為3.6 m2，配有電控柜、防電地毯、電腦桌、計(jì)算機(jī)和椅子；實(shí)訓(xùn)室右邊設(shè)置有配電柜、空調(diào)和存儲(chǔ)柜，存儲(chǔ)柜用于存放勞保用品、電工工具及器件和耗材等實(shí)驗(yàn)用品；實(shí)訓(xùn)室內(nèi)按消防要求配置了消防器材，為學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)提供了一個(gè)安全、寬敞、舒適的實(shí)訓(xùn)場所.

圖3 PLC實(shí)訓(xùn)室布局示意圖

2.2.3 實(shí)訓(xùn)室電氣配電設(shè)計(jì)

PLC實(shí)訓(xùn)室的電氣配電遵循兩條原則：一是牢牢樹立安全第一的生產(chǎn)理念，確保學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)踐過程中的人身安全；二是電控柜的配電與工廠企業(yè)一致，基于三相電構(gòu)建真實(shí)的PLC小型控制系統(tǒng)工程的真實(shí)生產(chǎn)情境.如圖4所示的是PLC實(shí)訓(xùn)室主要設(shè)備電氣配電圖.實(shí)訓(xùn)室用電采用具有TN?S接零保護(hù)系統(tǒng)的三相五線制，即三相電源線L1、L2、L3，中性線（即零線）N和接地線PE，中性線N和接地線PE分開.12臺(tái)電控柜、3臺(tái)空調(diào)及12臺(tái)計(jì)算機(jī)分屬不同的電源線路，各獨(dú)立使用.12臺(tái)電控柜是學(xué)生實(shí)踐操作的重要設(shè)備，按工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際要求接入了三相電，在配電上采用總控、分配、電控柜的三級(jí)配電，逐級(jí)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)“一柜、一閘、一漏、一鎖”的配電要求.圖中Q1為帶漏電保護(hù)的總開關(guān)，Q2、Q4……Q24為分配給12個(gè)電控柜的3P空氣開關(guān)，Q3、Q5……Q25為電控柜內(nèi)帶漏電保護(hù)的空氣開關(guān)，Q26、Q27、Q28為空調(diào)供電線路空氣開關(guān)，Q29為計(jì)算機(jī)供電線路總空氣開關(guān).為了能夠在學(xué)生生產(chǎn)實(shí)踐操作過程中提供多重安全保護(hù)，除了常規(guī)繼電保護(hù)外，在電控柜操作區(qū)域前鋪設(shè)了1.2 m×1.0 m的防電地毯，長度超過了電控柜的寬度，寬度超過了一手臂的長度.

圖4 PLC實(shí)訓(xùn)室主要設(shè)備電氣配電圖

指導(dǎo)老師必須在學(xué)生動(dòng)手操作前檢查各個(gè)電控柜里的空氣開關(guān)（Q3、Q5……Q25）是否有切斷，檢查總配電柜分配給12臺(tái)電控柜的空氣開關(guān)（Q2、Q4……Q24）是否切斷，若沒有，要逐個(gè)拉斷，學(xué)生電控柜操作實(shí)踐時(shí)必須穿電工鞋、電工服，并佩戴安全帽，牢牢樹立安全第一的生產(chǎn)理念.

2.3 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

依據(jù)企業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中主要涉及的PLC技術(shù)、職業(yè)能力的培養(yǎng)目標(biāo)及其成長規(guī)律，設(shè)計(jì)了3個(gè)階段，共8個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目［8]，8個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目包含了PLC無源、有源信號(hào)輸入的接線與應(yīng)用，指示燈、繼電器、電磁閥、變頻器、三相異步電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的控制，基本符合目前企業(yè)PLC控制系統(tǒng)主流技術(shù)技能的應(yīng)用，詳細(xì)內(nèi)容如表4所示.項(xiàng)目主要分為三個(gè)階段進(jìn)行，第一階段主要培養(yǎng)PLC控制系統(tǒng)的安裝與布線能力，以基礎(chǔ)知識(shí)、基礎(chǔ)控制原理介紹為主，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容主要是單一控制原理的具體應(yīng)用；第二階段主要培養(yǎng)PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)、調(diào)試與組態(tài)設(shè)計(jì)能力，以基礎(chǔ)編程指令、梯形圖、組態(tài)軟件的教學(xué)為主，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容主要是程序簡單的程序邏輯控制應(yīng)用；第三階段主要培養(yǎng)PLC控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)能力，讓學(xué)員體驗(yàn)企業(yè)工程現(xiàn)場，體驗(yàn)工作流程為主，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容主要是實(shí)現(xiàn)流水線、機(jī)械手等稍復(fù)雜裝置的整體控制.三個(gè)階段的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目由淺入深，由簡到繁，由局部到系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的PLC控制技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐能力.

表4 PLC實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目計(jì)劃表

2.4 實(shí)踐教學(xué)過程設(shè)計(jì)與分析

教學(xué)過程是指師生在共同實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)中的活動(dòng)狀態(tài)變換及其時(shí)間流程［9?10].有良好的生產(chǎn)實(shí)踐場所和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目但沒有良好、完整的教學(xué)過程，教學(xué)效果和學(xué)生習(xí)得的技術(shù)技能必將大打折扣.因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的目標(biāo)，還要配套相應(yīng)的教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生保質(zhì)、保量地完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目.圖5是依據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)加工工藝流程設(shè)計(jì)的PLC項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的流程圖.

圖5 PLC項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)流程圖

實(shí)踐教學(xué)過程主要分六部分：一是進(jìn)行教學(xué)，將需要講解的內(nèi)容進(jìn)行集中講解，如“電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)繼電器控制系統(tǒng)改造為PLC控制系統(tǒng)”課程中，需要講解如何將繼電器控制系統(tǒng)改造成PLC控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)方法，以及互鎖電路的構(gòu)成和應(yīng)用；二是對學(xué)生進(jìn)行分組，課中將學(xué)生兩兩分組，組內(nèi)自行討論、分工；三是布置實(shí)踐項(xiàng)目，小組分解實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，分析需要用到的器件、工具和耗材等，并設(shè)計(jì)電氣原理圖和系統(tǒng)裝配圖；四是按設(shè)計(jì)好的電氣原理圖、系統(tǒng)裝配圖進(jìn)行系統(tǒng)裝配；五是進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)和調(diào)試；六是對實(shí)訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和討論，撰寫項(xiàng)目實(shí)踐報(bào)告，并請指導(dǎo)老師進(jìn)行考核評(píng)分.每次學(xué)生分組將保持兩次課程，兩次課程中學(xué)生分工對調(diào)，這樣既能保證學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的全面掌握，也能使學(xué)生適應(yīng)企業(yè)工程中不斷更換項(xiàng)目成員的實(shí)際情況，同時(shí)，為了保證學(xué)生安全，在步驟三、四、五完成后要分別請指導(dǎo)教師檢查，確認(rèn)無誤后方可進(jìn)行下一步.

黎明職業(yè)大學(xué)自從三年前逐步進(jìn)行工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的PLC實(shí)訓(xùn)體系建設(shè)以來，教學(xué)效果有一定提高，如圖6所示的是近5年學(xué)生PLC期末平均成績折線圖.

圖6 2015年至2019年學(xué)生PLC期末平均成績折線圖

自2017年實(shí)行以培訓(xùn)工程實(shí)踐能力的實(shí)訓(xùn)體系以來，學(xué)生成績有一定提高，具體表現(xiàn)在新的實(shí)訓(xùn)體系可以使學(xué)生更快地掌握PLC技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，更快地接受PLC控制的基本原理，更快地理解PLC應(yīng)用項(xiàng)目的具體過程.首先，在剛開始的教學(xué)階段，主要是講述PLC技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，新實(shí)訓(xùn)體系在一開始便進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，與傳統(tǒng)先教學(xué)、后實(shí)踐相比，可以大幅度提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性，從而在初始階段有較大的提高；其次，在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目難度逐步提升的過程中，可以讓學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊實(shí)踐，學(xué)習(xí)成果更加扎實(shí)；最后，在進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目階段，由于前期相關(guān)知識(shí)和技能都已完備，實(shí)訓(xùn)效果更加穩(wěn)定，不易出現(xiàn)知識(shí)盲區(qū).

3 結(jié)論

通過對實(shí)訓(xùn)室、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和實(shí)踐教學(xué)過程進(jìn)行基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的改革，建立新的PLC實(shí)訓(xùn)體系，可以有效提高現(xiàn)有PLC的教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)通過培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的PLC實(shí)訓(xùn)體系的實(shí)踐，學(xué)生的個(gè)人能力較以前也有大幅提高，具備更高的適應(yīng)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.近三年來，黎明職業(yè)大學(xué)智能制造工程學(xué)院通過堅(jiān)持建設(shè)培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的PLC實(shí)訓(xùn)體系，學(xué)生在參加全國和福建省職業(yè)院校（高職組）職業(yè)技能競賽“現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試”“制造單元智能化改造與集成技術(shù)”“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)”“機(jī)電一體化”四個(gè)賽項(xiàng)過程中，都取得了優(yōu)異的成績，共獲得國家級(jí)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)，獲得福建省省級(jí)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，這些沉甸甸的獎(jiǎng)項(xiàng)就是對黎明職業(yè)大學(xué)智能制造工程學(xué)院基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的PLC實(shí)訓(xùn)體系建設(shè)成果的最好證明.