基于自动化生产线的PLC课程项目式教学改革研究*

胡仁平 ， 张 谦 ， 邓健平 ， 吕友萍 ， 胡 玲

（湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412000）

0 引言

“智能制造”是《中国制造2025》的主攻方向，是落实制造强国战略的重要举措，是我国制造业紧跟世界发展趋势、实现产业转型升级的关键所在[1]。我国制造业正处于转型升级中，要落到实处，产生效果，需要做各方面的努力，而其关键还在于人才，不仅需要科技领军型人才，也需要大批高技能人才。因而，培养满足智能制造的高素质复合型技能型人才，履行为地方经济建设服务的使命，是高职院校装备制造类专业人才培养的重要目标[2]。

在智能制造系统中，工业控制系统是自动化、信息化的基础，而PLC（可编程控制器）又是工业控制系统中广泛应用的核心部件。伴随着智能制造落地，智能制造项目越来越多，PLC在智能制造系统中的应用也越来越广[3]，对于PLC技术的应用要求也相应地水涨船高。作为高职院校机电专业核心课程PLC的要求也发生了变化，由传统的逻辑控制转为要求与变频调速、伺服控制、机器人和生产过程等协同或一体的复合控制。

为了适应智能制造背景下对PLC技能培养的要求，很多学校都进行了“教、学、做”一体化的PLC课程教学改革，将学生作为教学活动的主体，以项目任务为导向，实现实践教学和理论教学的相互融合、互相交叉，解决了传统教学过程中学生积极性不高、理论知识枯燥、实践能力培养不足等问题，一定程度上提高了教学效率。然而很多项目教学都没有实际被控对象，而只配置PLC主机及被控对象模拟板，使用模拟板上的按钮、开关模拟一些传感器作为输入设备，指示灯作为输出设备模拟被控对象的动作。学生只能根据模拟板上开关及指示灯的变化来观察项目的控制过程，不能很好地反映出被控对象的动态变化过程，实践真实性差，使得学生理解起来困难，降低了学生学习兴趣。同时，项目的内容依赖于知识点，项目之间衔接不紧密，任务比较零散，无法集成为一个大系统，并且与智能制造的自动化生产匹配度不高，不利于智能制造自动化生产的控制系统设计及产线维护的综合能力的培养[4]。

因此，PLC课程的教学内容应该要与智能制造的工业控制紧密结合，从而适应智能制造对人才培养的需求，同时教学组织应以项目任务的实操为主，提升学生的工程实践能力。

1 课程的整体设计

1.1 项目的设计

亚龙YL-335B自动化生产线集机械、气动、PLC控制、传感器以及变频调速、伺服控制、触摸屏等技术于一体，覆盖工件上料、加工、装配、分拣入库等程序，实现产品的全自动化控制过程[5]，具有很强的综合性，是学习PLC技能及培养工程实践能力非常不错的载体。

结合湖南铁路科技职业技术学院机电一体化技术的人才培养方案，以及配备8条S7-200 Smart 系列PLC为主机的YL-335B自动化生产线的实训条件，该校将PLC课程以YL-335B自动化生产线为载体进行PLC项目式教学改革。教学内容围绕自动化生产线各单站控制系统设计及总体联调的核心内容展开，将专业知识、技能及职业素养方面的具体要求与各项目模块进行有效整合，并以项目任务为核心，实施以教师为主导、学生为主体的理实一体的项目式教学。具体项目分为：供料单元单站的PLC控制、加工单元单站的PLC控制、装配单元单站的PLC控制、分拣单元单站的PLC控制、输送单元单站的PLC控制和自动化生产线的联调。项目的内容依照YL-335B生产线的动作顺序进行排列，从简单逻辑控制→计数、定时→模拟量控制（变频控制）→高速输入（位置检测）→高速输出（伺服控制）→通信联调的主线层层递进，使学生在项目任务实施中不断提升技能水平。

1.2 教学模式的确定

在课程整体设计中，采用了真实载体的自动化生产线控制系统设计作为课程的具体项目。因每个项目所涉及的问题具有综合性和开放性很强的特点，而且PLC课程本身就具有理论性、设计性强的特点，在完成各个站的PLC控制任务时，都要求学生具有一定的相关PLC理论知识储备，势必需要在教学过程中花大量的时间进行知识点的讲授，学生的动手实践时间将会被压缩，从而影响到工程实践能力的培养。

基于此，采用线上线上混合式教学模式，线上用于任务的接收和理论知识的学习，线下在理实一体的实训室完成任务的实施。具体过程：将每个项目用到的知识点和技能点进行了碎片化整理，整理成微教案，并录制相应的教学视频和实操视频，上传至智慧职教MOOC平台，供学生线上进行学习。通过智慧职教MOOC平台资源的学习、习题的作答、单元测验及线上的讨论答疑，将项目任务对应的知识储备放到课外。在课中以学生为中心，通过对共性问题进行讨论从而达成知识点的内化，将更多的动手时间用于完成控制系统设计的实操任务来培养工程实践能力。课后通过开放的实训室和智慧职教平台资源，完成相关知识的巩固和拓展。

1.3 课程的考核评价

课程考核由过程性考核（60%）与终结性考核（40%）两部分组成。

1.3.1 过程性考核

过程性考核以单个的学习任务为单位，由线上学习数据（50%）和线下任务实操过程（50%）组成，每个项目成绩为各个子任务评分之和。其中线上数据主要依据线上参与度、学习任务完成情况、闯关测试成绩等，通过平台设置权重直接统计得到结果。线下的过程性成绩主要由贡献度（组内互评表）、作品成果（小组交叉互检评分表）、职业素养、成果展示成绩等组成。

1.3.2 终结性考核

终结性考核以生产线单站或联调控制为任务，考核学生控制系统设计能力。从I/O分配表、硬件接线图、功能测试、工艺规范及在实操过程中的职业素养方面进行综合评定。

2 教学组织实施

以分拣单元单站的PLC控制中的子任务分拣单元电动机的模拟量变频调速控制为例，展示线上线下混合式教学模式的实施过程。

2.1 教学目标

2.1.1 知识目标

了解分拣单元传动系统的组成；了解变频器的原理；理解G120C变频器常见参数的作用；掌握S7-200 Smart系列PLC的模拟量输入/输出映像寄存器的应用；掌握S7-200 Smart系列PLC模拟量扩展模块的组态步骤；掌握传送指令、算术运算指令、数据转换指令的应用。

2.1.2 能力目标

能根据控制要求进行I/O分配和硬件接线图设计；能完成PLC、模拟量扩展模块及变频器三者之间的接线；会合理设置G120C变频器的参数；会运用STEP 7-MicroWIN SMART编程软件组态模拟量扩展模块；能完成分拣单元变频调速控制系统的设计与调试。

2.1.3 素质目标

具备自主学习能力、探究精神、逻辑思维能力和团队合作能力；贯彻维修电工国家标准的能力；逐步养成安全规范操作的习惯和精益求精的工匠精神。

2.2 具体实施

2.2.1 课前

1）任务下达。在智慧职教MOOC平台公告区提前一周发布实操任务：完成分拣单元电动机的变频调速控制，实现电动机0~50 Hz内任意运行频率的正反转控制。学生在平台进行任务的确认。

2）学生学习教学资源。同学们在智慧职教MOOC平台中学习分拣单元传动系统机械结构，模拟量输入/输出映像寄存器作用与寻址方式，变频器的工作原理，G120C伺服驱动器参数设置，传送指令、算术运算和数据转换指令具体应用，模拟量的组态等微教案、微视频和闯关测试之类的资源。

教师通过智慧职教MOOC平台的后台数据，掌握同学们对课前资源的学习情况。同时，教师和同学们在讨论区进行讨论，并结合闯关测试，发现同学们对于PLC的模拟量映像寄存器的值与模拟量对应关系、G120C变频器模拟量控制宏连接参数的含义存在较大的疑问。因此，将这两个内容定为本任务的难点。

2.2.2 课中

1）针对存在疑问的难点问题，进行探究学习与讨论。

①PLC的模拟量映像寄存器的值与模拟量对应关系问题探究（20 min）。

在理实一体的实训室，根据资源中模拟量扩展模块接线和模拟量的系统块组态这两个实操视频，4人为一组，完成模拟量扩展模块EM AM06的供电电源接线及STEP 7-MicroWIN SMART软件中组态EM AM06模块的模拟量输出通道0的系统块（其中，模拟量输出的类型定为：电压输出，量程范围设置为±10 V），并下载系统块至PLC。然后用编程软件的状态图表改变模拟量输出AQW16的值，用万用表检查EM AM06第一个模拟量输出通道的电压值，列出两者数据表，找到模拟量输出映像寄存器的值与输出模拟量电压之间的对应关系，最后教师与同学们通过讨论，梳理PLC的模拟量映像寄存器的值与模拟量的值这两者间的关系。

②G120C变频器模拟量控制宏连接参数含义的探究（45 min）。

a.根据实操视频，完成变频器主电路的连接。根据参数设置视频，将电动机参数写入变频器，并使变频器处于手动运行模式，实现电动机的正反转及变速运行的手动控制，对电动机的变频控制进行感性认知。

b.根据提供的G120C宏功能介绍说明书，利用YL-335B自带的电位器、按钮盒完成G120C变频器的宏连接参数值为12的硬件接线，并将宏连接参数设为12，保存参数。按下正反转按钮及手动调节电位器，观察变频器的运行情况。

c.不改变接线，分别将宏连接参数设为17和18，按下正反转按钮及调节电位器，观察并总结这3种宏连接参数值的区别。

d.派代表来阐述3种宏连接参数值的区别，教师进行总结。

通过上述环节的实操探究，攻克这两个共性的难点问题。

2）进入本任务的重点内容，分拣单元电动机的模拟量变频调速控制任务实施（160 min）。

①工艺分析。各小组确定分拣单元传动方案和G120C变频器具体参数。

②输入输出信号的确定，PLC型号的选择。

③根据输入输出信号和PLC型号，进行I/O分配。

④根据传动方案和I/O分配表，完成硬件接线图的设计。

⑤根据各小组设定的变频器参数，编写相应的控制程序。

⑥小组分工完成控制系统的调试。1人负责用软件编写程序和下载程序，1人根据硬件接线图完成硬件接线，1人负责变频器参数设置，组长负责安全事项及根据贴在实训台的工艺要求进行工艺监督。各人任务完成后进行调试优化。最后，小组组长将变频器参数、I/O分配表、硬件接线图、运行视频上传至平台。

⑦交叉互检与评价（45 min）。将国家自动化生产线安装与调试赛项评分表中PLC相关内容整理成评分表，各小组组长进行交叉互检，填写评分表并上传至平台。其他成员整理成果，准备成果展示材料，并完成组内互评。之后进行成果展示，评选出最优小组。

2.2.3 课后

各小组采用角色互换的方式在开放的实训室完成训练，自动化生产线安装与调试赛项的成员负责安全与指导。并在平台完成相应知识的固化与拓展。

教师根据平台数据、各小组提交的成果、评分表、互评表和成果展示成绩进行综合评价。

2.2.4 在整个学习过程中，课程思政贯穿始终

课前资源的学习，可以培养学生自主学习的习惯；遇到问题时的讨论，注重沟通能力和探究精神的培养；在编程时，注意逻辑思维及多角度思考问题能力的培养；在硬件接线图设计和接线时，贯彻国家的电气设计与接线工艺标准；系统调试时，通过反复的运行测试培养同学们精益求精的工匠精神；项目的实施严格按照实训室的6S管理要求，培养职业意识和劳动精神；任务通过小组合作的方式完成，培养同学们的团队合作能力；在课后的知识拓展学习中，为终身学习习惯的培养助力。

3 总结

课题组以YL-335B自动化生产线为载体重构了PLC课程教学内容，将教学内容与实际的智能制造控制技术紧密结合，顺应智能制造背景下制造产业转型升级对PLC技能需求的变化。在课程组织结构中，课前采用线上进行理论知识学习的方式。在课中，尽量缩短由教师主导的纯理论授课，采用学生自学自研的探究方式，完成难点的攻克；而后小组完成控制系统设计的实际操作，在实操过程中享受成功的喜悦感，增强自信心，激发求知欲。 课后，在开发的实训室完成任务的轮训，使其循序渐进地掌握PLC技能，并利用平台完成知识的迁移与拓展。

通过上述PLC课程改革实践，湖南铁路科技职业技术学院学生的工程实践能力得到了大幅度的提升。利用PLC课中学的“伺服控制”“变频控制”“触摸屏”等知识技能完成的“CPS-智能立体汽车停车库”项目获得“挑战杯——彩虹人生”全国职业学校创新创效创业大赛二等奖，“家用拖地小帮手”项目获省大学生机械创新设计大赛一等奖的优异成绩。