面向工程教育的电气控制与PLC研究性学习教学模式改革

杨志刚 薄敬东

摘 要：本文以国际先进的CDIO工程教育理念为指导构建“研究性学习”教学模式，该模式以自动化工程项目设计为主线，引导学生在项目设计过程中进行研究性学习。教学实践证明，该教学模式激发了学生的学习兴趣，在学生获取课程知识的同时，促进了对学生的实践能力和创新能力培养，有效提高了课程教学质量。

关键词：工程教育;研究性学习;电气控制与PLC

一、绪论

电气控制与PLC主要研究自动控制系统的软硬件实现技术，是实现工业生产自动化的重要技术手段。从一个普通的生产设备到企业的整个加工、制造系统乃至企业的整个生产过程，都需要由电气与PLC控制技术构建的自动化系统和自动化生产过程。电气与PLC技术主要通过低压电气线路设计、系统总线集成、控制软件设计等环节，将自动控制理论在具体控制任务中实例化，实现被控系统的自动运行。从早期的继电器—接触器控制，到以微处理器为核心的可编程序控制，控制系统实现了从硬件逻辑电路到数字运算的转变，随着智能技术、通信技术、网络技术的发展，电气与PLC控制技术也向着集成化、智能化和网络化的方向不断延伸。

电气控制与PLC课程在自动化、电气工程及其自动化、机械工程自动化等专业都是一门重要专业课程。其课程知识体系大致分为四个方面的内容：低压电器元件和电气接线图设计;PLC基本指令和软件编程方法;数字量控制系统设计;模拟量控制系统设计。由于电气与PLC控制技术实践性较强，传统课程教学脱离工程实际多以概念、基本指令和简单实例为主，采用“讲授式”教学，不能充分调动学生积极性，使学生知识掌握分散，难以综合运用知识进行设计，课程实验多以验证性实验为主，这种教学模式以不利于新工科背景下学生的综合运用和工程实践能力的培养。

本文在吸取国内院校新工科课程改革成果基的基础上[16]，结合我校特点，为解决“电气控制与PLC”传统课程教学中存在的问题，引入CDIO国际工程认证教育理念，采用“研究性学习”教学模式改革传统课程教学。

二、研究性学习教学模式改革建设目标

电气控制与PLC研究性学习教学，以自动化项目设计为主线进行教学内容、教学进度的编排，以“培养学生发现问题、提出问题、解决问题的能力和永不满足、追求卓越的态度”为基本目标。课程以实际工程设计为背景，合理提高课程难度、增加课程与电机拖动、过程控制等课程的交叉，将组态设计涵盖进教学范围，拓展学生对工程设计规范的认知。通过研究性学习全程参与项目的构思、设计、实施和运行等过程，让学生在获得知识学习的同时，获得多方面的工程体验和设计乐趣，激发学生的学习激情，侧重培养学生工程实践能力和工程创新能力。

三、研究性学习教学改革内容

（一）优化教学内容

电气控制与PLC是实现工业自动化的重要技术手段，在一般的自动化系统设计中涉及电气控制、PLC、变频控制、自动控制、通信和人机交互（组态软件）等技术。课程教学内容应贴近实际，涵盖工业自动化系统设计所需求的知识内容。根据人才培养目标和教学大纲的要求，教学内容以控制系统的电气设计和PLC程序设计为核心，以“够用、实用”为原则，加入PLC通信、变频控制、组态软件设计内容，按照按照学生的认知规律和项目设计流程编排教学过程。具体教学内容如下：

第1讲，课程以自动化及PLC控制系统为开始，结合过程控制理论简述自动控制系统的组成，以具体实例（水位控制）引入电气控制线路、可编程控制器（PLC）、HMI人机界面、变频驱动等控制环节，使学生清晰的认识到各环节在控制系统中所处位置和作用。

设计任务：从入户电源开始，绘制家里的电气线路，列出所采用的电气元件清单及名牌参数。

第2讲，讲述工业自动化项目设计的流程，以水泥自动配料生产线控制系统设计为实例，介绍系统工艺、功能设计、电气设计、软件设计、系统运行设置等流程。

设计任务：对调速称（自动配料一个单元）进行调研和控制方案设计。

第3讲、第4讲，讲述工业自动化项目电气控制，包括：低压电气原件、典型线路、低压线路设计规范。

设计任务：对调速称（自动配料一个单元）进行电气控制部分设计（原理图、接线图、原件清单）。

第五讲，讲述PLC的基础和PLC控制系统硬件设计，以调速称自动控制为例讲述硬件设计的概念、IO分配，硬件接线。

设计任务：调速称硬件设计及PLC接線（原理图、接线图、原件清单）。

第6讲，PLC硬件组态，基本指令，以电机启停控制为例引入PLC编程软件、软件配置、IO单元硬件组态、PLC基本逻辑指令编程。

设计任务：调速称控制系统传送带启停自动控制。

第7讲，基本指令应用，以电机多地启动，多电机顺序启动逆序停止、设备联锁控制讲解基本指令的组合逻辑。

设计任务：调速称控制系统手动控制程序设计。

第8讲，讲述定时器指令、计数器指令，以电动机延时启动、延时关闭讲解定时器，以生产线产品计数讲解计数器。

设计任务：调速称控制系统报警、急停程序设计。

第9讲，顺序控制PLC程序设计方法、以料车控制为例讲述顺序功能图的绘制，及顺序控制软件设计方法。

设计任务：调速称控制系统自动控制程序设计。

第10讲，讲述PLC项目中的数据处理，以压力模拟量采集、量程变换为例讲解PLC数据处理指令。

设计任务：调速称控制系统料重检测程序设计。

第11讲，讲述PLC项目中的数据处理，以PID控制系统为例子，讲解模拟量闭环控制系统的PLC实现。

设计任务：调速称控制系统下料量PID闭环控制。