电气控制与PLC课程教学改革研究论文
摘要：电气控制与PLC课程具有知识面广、技术应用性强和涉及学科广等特点，已经成为自动化相关专业的主干课程。在信息化和工业化深度融合的大背景下，以现有的PLC教学模式为基础，应用多种信息物理系统（CPS）关键技术，融合多学科知识，对基础理论教学环节和实验教学环节的教学模式和教学设备进行升级改革。
关键词：电气控制与PLC；CPS；升级改革
从现有的PLC教学模式来看，教师通过PPT讲解，按章将电动机或其它执行电器为控制对象的控制原理和编程方法授予学生，但是授课内容无实物对照，其概念、原理和方法都比较抽象，课堂沉闷，学生极易产生厌烦心理，对课程失去学习兴趣。现有的PLC教学方式难以满足国家社会对工程科技人才的需要。本文在分析了该课程的特点、教学目标和教学现状以及学生学习现状的基础上，对该课程的理论教学环节及实践教学环节提出具体的改进措施。
一课程升级总体思路
在现有的教学基础上，结合虚拟现实CPS关键技术开发出基于西门子S7-200系列PLC控制器（或者西门子S7-1200、三菱FX2N）、仿真软件PLCSIM、PLC编程软件FXGPWINV3等软件的虚拟仿真实验教学平台。总体思路如下：
（1）基础理论教学环节。PLC教学的根本是课堂基础理论教学。现如今，课堂教学广泛采用多媒体教学方式，使得教学方式更加灵活。但是，PLC器件多样复杂，内部机构无法直观展现；单纯的PLC程序讲解抽象难懂，不能直观展现程序控制器件的实际情况。因此结合CPS关键技术，加入虚拟平台互动环节。学生对于课上讲解的控制电动机或其它执行电器，可以通过手机、电脑等终端产品进行在线实物浏览，实现在线虚拟链接线路，掌握执行电器的功能和应用，同时与教师进行互动。
（2）实验教学环节。PLC实践教学环节是课程教学必不可少的组成部分，可以将理论知识转化为实际运用能力，帮助学生掌握基础知识。但是，很多高校普遍存在，实践教学项目仅限于基础实验，与实际工程项目相关性不大，学生自主编程的实验环节不多，不利于提高学生实际运用能力。因此，设计与实际工程项目联系紧密的实践教学实验，结合CPS关键技术，融合虚拟技术和嵌入式系统技术，模拟实际工程环境，实现项目设备的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，加强了信息空间和物理空间各要素的相互映射，达到适时交互、高效协同的目的。
二课程升级具体实施方案
（一）基础理论教学
在基于PLC现有基本理论教学模式的基础上，加入虚拟仿真实验教学平台。学生在平台上可以获得各种相关教学信息，并不受时间地域限制完成实验项目内容和提交报告，打破传统课堂时空的局限，学生还能够在网上进行与实验相关的基础知识测试、完成填写实验报告的功能，进一步减轻了教师工作量，同时方便教师查看学生成绩。新加入虚拟互动演示环节：在虚拟平台上，演示基本器件的功能，以及具体程序如何控制电动机或其它执行电器，具体的功能演示代替以前的纯程序设计讲解。
（二）三级项目
三级项目以讨论课的形式开展实施。学生在讨论课中，主要的工作就是编写程序，进行西门子仿真，在虚拟平台上，对三级项目程序编写过程进行优化，学生登陆操作平台，获取三级项目要求，观看项目预期效果演示。对照项目要求进行程序编写。虚拟平台搭载，项目实物三维对象，提供实物接口。学生把程序输入实物PLC进行仿真。平台根据PLC程序，仿真演示实物基于程序的实际的运行过程，并且实时反馈运行数据供平台进行数据分析，当成程序展示效果与项目要求不符或者程序错误时，基于仿真反馈数据。学生根据平台仿真后，反馈的信息和修改方案对现有程序进行修改，修改完毕，继续执行1、2两个步骤，直至完成项目。
（三）课程设计
根据需要设计新的课程设计项目包含医疗罐装、立体仓储、智慧电梯、虚拟码垛生产线等项目，利于嵌入式、三维建模等CPS等关键技术对课程设计进行升级改造，将现有的项目，输入虚拟平台建立三维立体模型，用于教学演示与仿真模拟。学生通过教学平台得到项目要求，在平台上进行程序编写，利于平台三维模型演示、数据实时处理、虚拟状态反馈与决策优化建议对程序进行修改和优化。嵌入控制主要针对物理实体进行控制。通过嵌入式软件，从传感器测量设备采集被控对象参数信息而实现“感知”，通过数据处理而“分析”被控对象状况，通过控制目标、控制规则或模型计算而“决策”，向执行器发出控制指令而“执行”。不停地进行“感知-分析-决策-执行”的循环，直至达成控制目标。
三实践教学实例—虚拟码垛机
在立体货库中配有一台全自动码垛机，由二台步进电机和一台直流电机控制，可进行行走、升降及叉货控制。堆垛机在行走方向共有三个限位开关：左/右极限限位开关和行走认址限位开关，行走的位置靠碰到限位开关计数来完成。堆垛机在升降方向共有四个限位开关：上/下极限限位开关、一个入库认址限位开关和一个出库认址限位开关，升降的位置靠碰到限位开关计数来完成。由于课程设计要发挥进一步提高学生编程能力、故障诊断调试能力和动手能力的效果，它的完成步骤相较以前的课设有较大改变。
①学生阅读虚拟平台给出了详细的实验目的和实验要求；
②根据需要在硬件接线平台上完成主电路和控制回路的元器件选型、布局及接线，选择按钮、接触器、中间继电器、电动机等器件，完成实物接线；
③完成硬件设计后，学生可通过平台打开编程器，完成项目软件设计；
④硬件组态。在设备与网络中选择所需控制器，并完成Ｉ/Ｏ地址、通信参数等属性内容配置；
⑤程序设计。添加PLC变量，在主程序中完成程序编写，在平台进行仿真和程序修改；
⑥程序下载。完成程序调试后，根据程序进行硬件的连接，并完成程序下载；
⑦程序下载后，可基于此平台完成软件协同调试，返回至仿真平台的硬件接线平台，验证硬件设计及接线是否正确；
⑧点击“开始仿真”并将仿真器置为运行状态，在实物接线平台下方设计一排器件操作开关和按钮。
点击“断路器”上电，按下“正向启动按钮”，可以观察到正转运行回路接通，按下“停止按钮”，电机停止运行。硬件接线平台可用于观察电流通路，判别硬件回路接线是否正确。以上步骤，通过动态虚拟仿真，使学生掌握PLC控制电机正反转的基本工作原理，进一步理解控制电机正反转的基本原理和工作特性；通过静态继电器的测试，使学生掌握各类继电器的相关特性。可以让学生更好的`操作项目流程的各个步骤，体会实际PLC项目的操作理念。四教学成果在整个实践教学环节，教学平台只提供设计思路以及指标要求，学生在设计的过程中，自己查找资料，确定项目实现方案，学生解决问题的能力明显提高，由于不受思维的限制，也开发了学生的创新思维，学生参与到实践教学环节的全过程，设计热情高涨，理论知识掌握牢靠，深刻理解了工程项目设计理念，专业素质明显提高。
五结语
本文提出的基于信息物理系统的电气控制与PLC课程教学改革方案，可以让学生将理论和实际相结合，让学生对PLC基本理论有清晰的认识，有效的提高学生的自主学习能力、解决问题的能力、动手能力等，对实际的工程项目流程有清楚的了解，有效的掌握解决工程实际问题的方法。
参考文献
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