PLC的自动化技术实验教学模式浅析

前言：本站为你精心整理了PLC的自动化技术实验教学模式浅析范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。

摘要：针对原有plc实践教学中授课和考核形式单一、缺乏对学生创造力和综合实践能力培养等问题，提出基于PLC的基础—综合—创新的一体化实验课程体系。将虚拟仿真技术运用于实践教学，搭建了虚实结合的实验平台，建立了分阶段、分层次、多样化的实践项目，提出了多种授课方式和考核方式，提高了学生创新能力和综合实践能力。

关键词：一体化；分层次；多样化；虚实结合

随着新工科建设的推进，部分高校增设了智能制造相关专业。基于PLC的自动化技术作为智能制造系统的基础和重要环节，对学生的专业知识掌握程度有更高的要求，也对高校实践教学提出了新要求[1]。目前，部分高校在PLC实践教学中提出了理论结合实践、项目驱动式等教学方法，取得了较好的教学效果。蔡晓敏等[2]通过建立分层次实验室和系统训练实验平台，构建了设计性、综合性以及工程应用性相结合的“三层次”实践教学体系。史艳红等[3]采用即视化、任务驱动式教学方法和线上线下相结合的教学手段，设置多层次递进的实践教学内容，采取项目引导式实践模式，提高了学生的参与度。李继芳等[4]将虚拟仿真技术应用到实践教学中，解决了PLC实践教学中设备昂贵、场地有限、设备维护成本高等问题，满足了实验室开放及学生创新实验的需求。虽然上述基于PLC的自动化技术教学改革具有一定的创新性和实用性，但是随着社会对学生综合创新能力和工程实践能力要求的提高，仍需对教学模式进一步探索和改革[5-8]。因此，本文对基于PLC的自动化技术的实验教学模式进行探索，改革实验课程体系，探索实验教学方法。

1基于PLC的自动化技术实验设计

基于PLC的自动化技术实验课程体系采用分阶段、分层次、多样化的结构，具体内容如图1所示。实验课程体系分为三个阶段：基础实验阶段、综合实验阶段和创新实验阶段，内容难度逐渐增大，对学生的能力要求也不断提高。基础实验阶段设置在实践教学的初期，实验项目为基础的操作性实验，利用专门的PLC教学实验台进行。学生通过基础实验，了解PLC基本控制原理，熟悉PLC的编程指令，可以通过简单的控制对象练习编写PLC程序以及输入输出电路接线。综合实验阶段设置在实践教学的中期，以现有的自动化装配生产线为实验对象。学生利用所掌握的机电知识，分析自动化系统的电气控制原理，绘制电气原理图，列出电气元件清单。根据自动化系统的控制逻辑，设计PLC的控制流程图，并编写PLC程序。创新实验阶段设置在实践教学的末期，实验项目为设计性实验，以工厂自动化虚拟仿真平台为操作对象。学生根据功能要求或自主命题，从平台中选择元器件搭建自动化生产线。虚拟仿真平台可以与实际PLC连接，也可以与PLC仿真器连接。学生通过PLC编程实现对虚拟自动化生产线的逻辑控制。

2基础实验课程设计

2.1实验项目

图2为QSPLC-SM1型可编程控制器实训装置，采用模块化设计，包含S7-1200PLC模块及多个控制对象模块。利用该实训装置，学生可以进行PLC编程练习和输入输出接线操作。基于该实训装置开展的基础实验项目如表1所示。

2.2授课方式

基础实验采用课上教学方式，学生分组进行，采用“教师讲解—学生操作—教师中间指导”的授课模式，目的是帮助学生充分了解PLC控制原理和编程方法，为后续实验项目的开展打下基础。为了保证实验项目的多样化，每两组分配一个难度相当的实验项目。学生根据实验指导书要求，完成PLC编程和输入输出接线。

2.3考核方式

基础实验采用课上提问和提交实验报告的方式进行考核。教师通过随机提问，考查学生对PLC基础知识的掌握程度，并根据实验项目的完成情况进行打分。课后要求学生提交电子版实验报告，主要内容为采用编程软件建立的PLC控制项目。

3综合实验课程设计

3.1实验项目

综合实验采用现有的Me093399型机电一体化系统作为实验对象，如图3所示。该系统涉及电气控制、传感器和现场总线等技术，包括10个单元：上料单元、下料单元、加盖单元、穿销单元、模拟单元、伸缩换向单元、检测单元、液压单元、分拣单元和叠层立体仓库单元。采用S7-200PLC作为控制器，各单元都可单独控制。

3.2授课方式

综合实验采用开放式教学，以学生自主学习为主。实验初期，教师对系统的功能、组成进行介绍，说明实验要求，组织学生分组、分配实验单元并提供必要的参考资料，该部分内容在课上完成。实验过程中，学生根据参考资料自主学习，完成实验要求的各项任务，该部分内容在课下完成。以上料单元为例，学生分析单元组成和原理，列出单元包含的电气元件，绘制电气原理图，设计PLC控制流程图并编写PLC程序，该过程需要2～3个学生协作完成。通过基于Me093399型机电一体化系统的综合实验，学生可以直观地认识和理解电机、传感器、气动及液压系统等在机电一体化中的应用。

3.3考核方式

综合实验采用多种考核方式，主要包括：教师不定期提问、分组答辩、提交实验报告。首先，在学生开展实验项目的过程中，教师检查学生对实验内容的掌握程度。其次，实验完成后，要求各组学生通过PPT汇报的方式，对实验单元的结构组成、控制原理、动作过程、PLC控制思路等内容进行讲解。最后，要求各组学生提交实验报告，包括电器元件列表、电气原理图、PLC控制流程图和PLC程序。

4创新实验课程设计

4.1实验项目

创新实验为设计性实验，学生根据控制要求，依托具有工厂自动化场景的虚拟仿真平台，完成自动化单元的设计，并在虚拟仿真平台中开展仿真验证。图4为FACTORYIO虚拟仿真平台的操作界面，右侧的元件库中提供了多种类型的部件，如工件发射和接收装置、多种尺寸和形状的工件模型、不同长度和载重能力的传送带、各种传感器、工业相机、控制台、加工中心、机械臂等。利用这些部件，学生可以自主设计和搭建多种自动化单元，如生产单元、运输单元、分拣单元、装配单元、仓储单元等。此外，该虚拟仿真平台支持多种型号的PLC编程，搭建好的自动化单元可以通过PLC编程进行控制。

4.2授课方式

创新实验采用完全开放式教学，学生自主完成。利用虚拟仿真平台的优势，学生在计算机上安装虚拟仿真软件后即可开展实验项目，不受时间和地点的限制。教师利用一节课的时间向学生说明实验要求，指导学生安装虚拟仿真软件，并为学生提供软件操作的参考资料。学生根据实验要求，明确要实现的自动化功能，完成系统设计，编写PLC程序，并在虚拟仿真平台中进行仿真调试。调试过程中，学生可以将虚拟仿真平台与PLCSIM连接，该过程不需要PLC硬件。另外，还可以将虚拟仿真平台与真实PLC硬件连接，完成对PLC的编程。该过程需要PLC硬件，学生必须在实验室内完成。两种调试方法，学生可根据实际情况选择，增加了实验的灵活性。

4.3考核方式

创新实验以答辩的方式进行考核，要求学生制作PPT，说明实验过程中的分析思路、自动化单元结构及工作原理、PLC编程控制逻辑，并现场展示自动化单元的运行过程。学生个人答辩结束后进行分组讨论，针对设计成果相互点评，交流设计思路，分享心得体会。通过该实验项目，学生可以锻炼独立分析和解决问题的能力，有利于提升综合实践能力。

5结语

本文针对基于PLC的自动化技术实验教学模式进行了探索与研究，建立了分阶段、分层次、多样化的实验课程体系，设置了包含基础—综合—创新的实验教学项目，适应学生的学习变化规律，有利于逐步提高学生的知识素质和实践能力。实验内容分层次设置，由基础到综合提升，难度逐渐增加，涵盖了自动化技术的大部分内容，帮助学生打好基础的前提下进一步提高其知识掌握水平。充分利用实验条件，基于虚拟仿真技术，构建软硬结合、虚实互补的实验环境，突破硬件设备的局限性，使学生全面认识实验内容。针对不同阶段的实验项目，采用不同的授课方式，教学过程更灵活。改革原有考核手段，采用多种考核方式，有利于提高实验教学效果。实验过程中采用开放式教学，“以学生为中心”，采用学生小组、分组讨论等多种形式，锻炼学生的团队协作能力和综合实践能力。

作者:梁西昌 辛倩倩 单位:山东大学机械工程学院 高效洁净机械制造教育部重点实验室