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利用PLC电子实习多样化的可能

可编程控制器PLC（以下简称为PLC）作为现代工业自动化的三大支柱之一,其重要性得到了进一步的提升,依托其稳定性、可靠性、实时性等特质,广泛的应用在各个行业和领域内.在这种新的形势之下,将PLC引入高校实验实训课堂,结合“电子实习”开展多样化的训练,让学生在新的机遇和形势之下掌握更多技能显得尤为必要.

一、电子实习的评估和分析

（一）电子实习存在的意义和发展方向

“电子实习”作为高校本科生在实验方面的传统课程,长期以来以超外差式收音机的组装和调试作为主要内容,此举很重要的原因在于：1.可以培养学生焊接线路板的能力.2.由于收音机内部元器件种类较全,能够让学生在完成课程的同时接触较多电子元器件,了解其工作方式和工作原理.3.能够借对收音机的调试掌握示波器等实验仪器的操作方式.

“电子实习”作为实践操作课程的存在无可厚非,但是单纯的靠收音机的组装和调试已经跟不上时代和技术的发展,因此,在进一步探索“电子实习”的课程不仅要往纵向方向发展,同时也应当结合当下技术发展的趋势往横向发展,开设更多和“电子实习”背景相关的创新课程.

（二）评估PLC作为实验平台的可能性

评估PLC是否能够作为“电子实习”课程的实验平台要从两个方面进行阐述.

从行业方面来说,PLC作为一种工业环境下的控制设备,其电磁兼容性强,易于实现机电一体化的特性,长时间以来被广泛的应用在各个行业,并在如今工业互联网的属性之下,伴随着我国工业转型升级,继续起到重要作用.2014年国内PLC市场的规模约为65.2亿元,增长率为4.2%.这其中OEM市场对PLC的需求快于传统项目,利于推进“中国制造2025”的进程.

从教学方面来说,根据国际电工委员会制定的IEC 61131-3标准,即PLC编程语言标准,其中规定了两大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言.前者包含了指令清单语言和结构化文本语言,后者包括梯形图语言和功能块图语言.

有了规范化的体系,学生进行PLC学习就不必担心不同品牌之间的隔阂,在学会相关语言的编程方法之后,面对其他品牌的PLC仅需要参考厂商的操作手册即可,大大的降低了重复学习的成本.

因此选用PLC作为实验平台具有实际意义和可操作性,能够胜任作为“电子实习”的课程需要.

三、PLC课程的解析

（一） PLC课程的预设目标

本课程的总教时为80个课时,作为一门实验课程而言,课程时间比较紧凑.考虑到PLC应用的环境较为特殊,学生在课前接触到的可能性较小,因此,在课程设置方面,将以基础内容为主,围绕逻辑指令、定时器和计数器、数据操作指令以及PLC与各种电气设备的简单通信展开.

（二） PLC课程的驱动形式

通过既有的预定目标,如何让学生能够在不长的课程中最大程度地发挥其潜力,是实验人员需要认真探讨的课题.通过大量的实践教学和经验总结,对于PLC课堂而言,除了“因材施教”、“教学相长”等传统观点外,我们还应当充分发挥学生在课堂中的主导地位,建立一门以学生为驱动力的实践课程.

以学生为驱动力,并不等于让学生自学.在实验室人员参与教学的过程中,尽可能遵循学生在学习过程中的思维,使其主动推动学习进程.实验室人员则更多地起到一个帮助学生“修正路径”的引导作用.

在笔者看来,以学生为驱动的好处,主要有以下几个方面：

1.使学生尽可能地完成符合自己思想、思路的程序,不再过分依赖教师的分析解答进行反哺.

2.使项目教学法更加高效,学生在实践中养成独立分析情况,解决问题的能力.

3.让实验人员的业务能力得到提升,在面对不同学生的不同程序时,能够迅速找到问题的根源,并在教学层面上,引导其发现问题,解决问题.

4.让实验人员能够在大纲内更加灵活的安排实验内容,与学生面对面的交流,增加课堂的活跃气氛,交换做题思路.

5.能开发更多符合学生兴趣和切合时代背景的实验,进一步增加了实验人员对设备的认知和大型设备的有效使用频次,同时也利于实验人员对于设备的日常维护工作.

6.能够课堂本身更紧凑,使教与学双方都以最正确的态度面对课程本身,具备规范意义.例如,在进行交通信号灯模拟实验时,绝大部分学生在进行实验时首先想到的方法是,利用不同类型的定时器满足接通和断开的需要,这时候实验人员不应当立马给予干预,而应在学生完成第一轮的尝试之后,分析程序中大量利用定时器的弊端：如容易产生累积误差,程序过于繁冗等问题,引导学生修改问题,并在之后的实验中进行第二轮尝试.通过实际课堂发现,由于定向思维的打破,学生开始主动探索数据移动类型的指令以及移位指令在项目中的应用,程序的质量和思路的清晰程度相较之前的指令有了明显的提高.

所以在以学生为驱动力的课程中,学生解题的思路应得到保留,而实验人员在这样的环境下必须时刻保持对程序本身高度的敏感性,这样学生主动解题,实验人员主动解读,在课堂上则杜绝了“填鸭式”、“演讲式”教学情况的发生.还使得每一个学生都能在自己的成果中找到信心,并在追求高分的过程中进行主动地学习、思考和探索.

三、 PLC课程实验设计方案

依托于PLC强大的功能,也依托于整个工控行业.一者,PLC实验的设计始终不能脱离实际；二者在设计实验时也应当参考行业内的相关动态和先进理念,让学生所做不脱节于行业.

以GE-PAC Systems RX3I为例,模块化的设计能够使其自身可以根据需求随时更换模块,例如ETM001以太网通信模块,HS304高速计数模块,ALG600/704模拟量输入/输出模块等,强大的硬件以及组态软件为实验设计提供了诸多可能.

简单来说,实验人员所设计的实验方案,包括但不限于基本指令的运用,伺服/运动控制的应用,变频器的应用,以太网通信的应用等.另外,具体而又全面的实验设计,也鼓励了学科之间的交叉,开拓了学生的创新精神.

（一）一个基于工业以太网通信的实验设计

工业以太网通信开放性、实时性强,通信速率高,搭建便捷等优点,在现代工控领域中已经得到了充分的应用和拓展,因此选取PLC工业以太网通信作为综合实验具有一定的代表意义以及时代意义.

GE-PAC Systems RX3I专门提供了以太网通信的模块ETM001,利用此模块可以利用以太网在PLC与电气设备之间进行以太网的通信.本实验基于PLC和PLC之间的通信.

在进行实验之前,指导学生在组态软件里修改波特率等参数并单独分配IP地址与PC建立通信,然后参阅手册对PLC的读/写通道等重要参数进行设定.表中列举了进行传送的参数的设定,以便为读者提供事实依据.

编程环节中,要求学生仔细核对所设定的相关参数,在理解COMMREQ通信指令的使用方法之后,就能够在从站的PLC上进行程序的编写.

程序编写时注意编写规范,并再次核对相关参数,传送数据的数据长度,并在运行程序之后对主/从站对应寄存器内的数据进行对比,本例主站选择的寄存器为%R的字存储器,偏移量为50；从站选择的寄存器为%R的字存储器,偏移量为100,在进行通信时若从站成功接收到主站的数据,则证明以太网通信建立成功.

在之后进行的实验中,则要求学生分组练习,将以太网通信的练习进行拓展,自选项目完成基于两台PLC的控制过程,对象包括电机的运转,音乐喷泉的控制,交通信号灯的控制等.利用多种电气设备,配合RTU协议等加强学生对于工业控制的整体认知,增加项目复杂程度的同时也锻炼学生的综合调试能力.

本文详细分析了PLC作为“电子实习”实验课程的可能性,结合“中国制造2025”的时代背景,通过对实际课堂的分析,提出了“以学生为驱动”的课程理念,论证了此理念在课堂中发挥的作用；通过具体的综合实验案例,开展了通信层面的实验,为电子实习以及PLC课程本身进行了新的尝试,也为今后更深层次的课程提供了更多的课堂依据.

参考文献：

[1] 李鸿儒, 王天曦, 韦思健等.在工程训练中注重 “电子实习 ”课程的建设与改革[J].实验技术与管理,2007（12）：4-5.

[2] 刘贺贺,刘棣斐,刘钊.工业互联网带来的产业变革[J].电信网技术,2016（8）：30.

［作者单位］

上海大学工程训练国家级实验教学示范中心

（编辑：赵文静）

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