基于工业软件的“PLC原理及应用”线上实验教学实践

赵 洋，胡亚伟

（东莞理工学院 电子工程与智能化学院，广东 东莞 523808）

2020年初突如其来的新型冠状肺炎疫情在全国扩散，对国家和整个社会的各项事业造成了严重影响。2020年2月4日教育部印发了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求全国高校在疫情防控期间积极主动开展线上教学，实现“停课不停教、停课不停学”[1-2]，我校于2020年3月2日正式开始网上教学。

“PLC原理及应用”是面向我校自动化、电气工程及其自动化、智能制造、机器人和电子信息工程等专业开设的一门专业课程。本学期共计有4个专业3个教学班级需要进行该课程的线上教学。该课程传统的线下教学方法主要包括课堂理论教学和在实验室硬件平台上的实操实验两部分。

PLC控制技术是继传统继电器控制之后发展起来的一种新型控制技术，在工业自动化控制领域具有广泛应用[3]。为确保学生能够通过本门课程的学习，熟练掌握PLC软硬件组态、系统调试和故障分析与解决等工程实践知识，本课程特别重视实验环节的教学，在学时分配上理论教学和实验教学各占一半，凸显了实验教学的重要性。但当教学模式从线下转变为线上时，实验教学的模式和方法就必须在进行深入分析和探讨的基础上，进行相应的改革，以此来保证教学效果不受影响。

1 “PLC原理及应用”实验教学改革背景

PLC是一款面向工业应用的控制器，可以为逻辑控制、过程控制和顺序控制等应用场景提供完美的解决方案，并可依托其强大的数据处理和通信能力，构建基于现场总线和工业以太网的分布式控制系统[4-5]。本门课程的教学需要着重强调工程应用背景，并辅以实际应用案例来进行。在实验教学过程中，为了保证教学效果，需要仔细研究数量繁多的实际案例，并精心设计一些具备共性功能且难度逐渐递增的实验内容。当受不可控因素影响，迫使传统实验教学从线下转到线上时，应该怎样针对实验环节进行合理设计就成为本门课程所必须面对的问题。基于笔者连续多年对本课程实验教学模式及教学效果的深入分析，并结合对本课程自身特点的全面考量，认为由传统线下实验教学向线上实验教学转变具有可行性，且很有意义。

首先，随着网络通信和数字化技术的不断发展，线上教学已越来越多地被国内外大学所接受[6]。其突出优点不仅在于打破了传统实体课堂的限制，使教学本身不再受空间的约束，同时还可以突破时间的限制，使学生能够在非固定时间根据自身的实际情况进行学习，从而使学习本身更加具有自主性[7]。但是由于缺少了类似传统课堂上教师对学生课上表现的直接管理，教师对学生在线上学习的效果难以在较短的时间内进行准确把握。因此，特别是对于实操教学环节，必须对课程难度进行合理设置，让学生对知识的接受过程可以由易到难逐渐深入。同时，还需要建立线上教学过程实时反馈通道，从而及时回应学生在实验过程中可能遇到的各种疑问，做到有问题及时解决，不遗留问题。

第二，本课程传统线下实验的基本模式是教师基于实验平台的具体硬件条件，设计能在该平台上完成的实验内容，学生拿到实验指导书后，按照实验要求在平台上完成实验内容并编写实验报告。该模式的优点是实验内容较为具体，学生可以在课上时间根据教师的实验指导完成实验内容，同时实物实验可以让学生对实验设备和应用场景有比较直观的认识。但是该模式的缺点也是显而易见的：①受限于实验平台的硬件条件，所能开展的实验内容比较有限，若想对实验内容进行扩充，则需要通过增加经费投入对硬件设备进行扩展和更新；②在较为固定的实验内容和实验流程的约束下，学生的主观能动性不能充分激发，学生对于实验的理解往往处在较为粗浅的阶段[8]。但是如果采用线上实验教学模式，就能通过选择合适的实验工具和方法来对线下教学模式扬长避短，进而增强实践教学环节对学生实操能力培养的作用。

第三，实验教学的主要目标是让学生提升动手能力，克服眼高手低问题[9]。“PLC原理及应用”课程具有极强的工程背景，对学生实际操作能力的培养是本课程教学效果的重要评价指标。本课程的理论教学侧重于对基本概念和基本指令使用方法的讲解，但本质上是要使学生能够基于实际问题通过编程来实现具体的控制任务。虽然PLC本身是一个硬件设备，但学生主要需要提升的却是分析问题并采用软件编程解决问题的能力。因此，本课程实验内容的重点应是组态开发软件的熟练使用、对各种经典梯形图程序的深入理解及对复杂控制任务的编程实现，即本门课程的实验教学应该以硬件的熟悉为辅，以软件的使用为主。可以看出，本课程的特点决定了其实验教学由线下转为线上时具有明显优势，其中，对于硬件的认识和了解完全可以借助于各种多媒体工具实现，而关于软件的使用则可以在合理选定实验软件工具后，完全不受硬件平台的制约。

综合以上分析可知，对传统“PLC原理及应用”课程实验教学模式进行线上教学模式改革，是客观条件下不可逆转的大趋势，而该课程自身的特点又为这种改革和实践提供了较好的基础和驱动力。

2 基于工业软件的实验设计

PLC作为工业控制器，其应用于具体控制任务的开发过程有较为固定的流程，如图1所示。

图1 PLC项目开发流程及工具

由图1可以看出，PLC开发过程中的大部分环节都离不开组态软件的使用。除硬件设备选型外，实际系统在线运行调试也要对应具体的硬件对象来完成。但是，硬件设备选型环节本身不在本课程实验教学范围之内，系统在线调试也完全可以用仿真软件来代替真实硬件设备。因此，单纯从实验教学角度而言，本课程线上实验的开展仅需组态软件和仿真软件相配合即可。

2.1 TIA+PLCSIM线上实验解决方案

PLC属于工业产品，不同的生产厂商在推出自己的PLC时，也会同时推出适用于自身产品的配套工业软件。因此，实验教学所选用的软件需要与理论教学所讲授的具体机型相配合。我校开设此课程时，相关任课教师通过调研讨论确定选择了西门子小型整体式PLC即S7-1200，作为本课程的教学机型。S7-1200PLC控制器是西门子面向中小型工业应用场景推出的一款产品，具有结构紧凑、功能齐全、可扩展性强和可实现高精度自动化控制任务等特点[10]，是PLC入门学习的首选产品。

西门子公司针对其包括 S7-1200PLC在内的多款PLC和其他自动化工业产品配套推出了博图组态开发软件，即TIA Portal。基于该软件平台，用户可以实现对 PLC等设备的软硬件组态和调试。为方便对 PLC进行虚拟仿真调试，西门子公司专门推出了 PLCSIM仿真软件。基于该软件，可以实现在没有实际硬件设备的情况下，与TIA软件进行数据互联，并应用TIA所提供的调试工具对PLC进行仿真调试。基于该软件的仿真调试结果可以直接切换到真实的PLC上运行[10-11]。因此，本课程的线上实验教学完全可以借助这两个软件来实现和完成。

2.2 线上实验设计

本课程线上实验首先要求学生熟练掌握所选定的两款软件的基本操作。在此基础上，设计一些与实际工业现场控制案例相关的实验内容，以帮助学生提升分析和解决实际问题的能力。本课程在选择和设计具体实验内容时应主要考虑以下几方面要求。

（1）工业软件相对于学生而言较为陌生，学生普遍感觉上手比较困难。为降低学生的学习难度，减少他们学习过程的受挫感，需要对基本的软件操作录制视频，作为学生学习的参考资料。

（2）实验难度设计要合理，要让学生由易到难地逐步熟悉和掌握PLC相关开发软件的使用，以及应用PLC控制器解决给定的控制任务。此外，还需增加实时交流互动环节，以便及时解决学生在实验过程中遇到的各种问题。

（3）实验内容在可以完全覆盖本课程所必须掌握的知识点的基础上，应具有一定的开放性和可扩展性，以此来调动学生的学习热情。即除必须的实验内容之外，学生还可以根据自己对问题的理解，对控制功能进行进一步的添加和完善。

根据以上要求，再通过深入的分析和研讨，笔者最终确定的实验内容如表1所示。本课程包括10个实验，共计20学时，其中8个实验（每个实验2学时）侧重于基础能力的训练，属于验证性实验；1个实验（4学时）为综合性的开放题目，作为提升训练；1个演示视频，不占学时。

表1 PLC课程线上实验内容

2.3 仿真实验案例分析

以表1中的实验“自锁逻辑控制的实现”为例，对基于 TIA+PLCSIM 工业软件进行的线上实验操作流程进行说明如下。

本实验的主要内容是，设计一个对LED灯的开关控制，当按下启动按钮（数字量输入）时，LED灯（数字量输出）保持常亮，当按下停止按钮时（数字量输入），LED灯灭。当该实验在实物平台上进行时，需要用到TIA开发软件及包括按钮、灯和连接导线等在内的硬件。现在我们对该实验进行仿真，硬件组态和控制程序设计仍用TIA来完成，且仿真实验的硬件组态和控制程序设计与实物实验的对应内容完全相同。区别仅在于系统调试部分由PLCSIM进行仿真，即开关的接通和断开操作及对应的灯的亮和灭，是在PLCSIM 软件上进行模拟和观察的。本仿真实验的操作流程如图2所示。

图2 仿真实验操作流程

本案例的线上仿真实验截图如图3所示。图中上半部分为 TIA中 PLC编程和调试界面，下半部分为PLCSIM中对数字量的仿真和观察界面。

由图 3所呈现的仿真实验结果可以看出，借助TIA和PLCSIM两款软件完全可以将实物平台实验转移到线上进行。并且由于仿真实验的调试结果与实物实验完全相同，当线下实验平台开放时，学生可以直接移植到实物平台上进行再次验证。

图3 仿真实验截图

3 线上实验教学实践总结

本课程因受疫情影响被动地由线下教学转为线上进行，似乎是一种不得已而为之的事情。但也应该看到，这其实也为本课程的教学改革提供了契机。传统线下实验虽然在直观性方面具有不可比拟的优势，但其短板也很明显，对学生动手能力和创造能力的培养存在劣势[12]。当实验场景由真实环境转向虚拟环境时，学生可充分利用先进的软件开发工具，以现代自动化领域中最重要的人机交互模式来完成实验任务。

3.1 线上实验教学的特色

（1）实验手段的新颖性。这种基于工业软件的仿真实验教学模式给本课程的学习者带来了一种新的实验体验，在尽最大可能模拟硬件实物操作方式的同时，保证了实验教学效果不打折，并激发了学生的求知欲望和参与热情。

（2）实验设计的合理性。经仔细设计的本课程线上实验内容，确保了难度进阶与学生的接受过程相一致，有助于学生逐步掌握本课程的知识点，不断打磨和提高动手能力。

（3）教学素材的重复使用性。以教学视频形式呈现软件使用的基本操作，能够使学生在任何有需要的时候观看、学习和复习，从而帮助学生更好地掌握相关知识。

3.2 线上实验教学实施效果

本学期本课程首次引入线上实验教学法后，已针对我校2018级的3个教学班开展教学实践。截至目前，学生已完成表1中所列的前8个实验。根据学生实验报告的反馈结果和线上实时交流互动的情况来看，学生对线上教学模式普遍比较接受，在熟悉相关软件的使用后能够在完成实验基本要求的同时，提出自己对问题的独到见解，并完成对控制程序的改进和仿真调试，达到了本课程的教学目标要求。

4 结语

基于工业仿真软件的“PLC原理及应用”课程实验教学改革，是在受不可抗拒因素影响和互联网教学日趋发展的大背景下，在任课教师对本课程原线下实验内容、线下教学和线上教学差异和各自特点以及PLC控制器自身的工程应用属性等诸多因素进行深入分析调研之后，开始设计并实施的。通过对实验教学方法、实验工具和实验内容设计等方面的改革进行探索和实践，本课程的线上教学取得了很好的效果。学生经过多个实验的实践后，分析解决实际问题和实操相关工业软件的能力显著提升，极大地提高了学习主动性和学习热情。这也为本课程今后继续开展全线上教学或线上线下相结合的教学实践打下坚实基础。