傅仁轩 陈启明

(广东工贸职业技术学院 机电工程学院， 广州 510510)

“PLC技术”是高职电气自动化、机电一体化类专业的一门核心专业课，也是一门独立的技术应用课。“PLC与组态监控”综合实训课程采用PLC技术与组态监控技术相结合的方法，将PLC、组态监控软件、电机与电气控制等多门技术综合应用到实际工程项目中，使学生深入理解实际生产监控系统的组成和结构，掌握PLC软硬件设计方法、组态软件设计方法和生产监控系统的设计方法，培养学生应用PLC技术和组态监控技术进行生产监控系统设计、实施、运行的能力。该课程对培养学生实际操作技能起着非常重要的作用，为学生日后参加工作奠定了坚实的技术基础。

在现有的PLC教学与实践中，为验证、观察PLC指令的执行过程，理解、掌握PLC知识点，设计了独立的单任务的实验，很多学者对PLC的教学模式及实验教学模式进行了改革与研究[1-4]，提供了可供借鉴的教学思路，虽然能从实验中理解PLC软硬件的应用，但未与真实的外部I/O设备连接，缺少综合性的任务与实训课程，学生在实施项目时无法形成独立完整的设计思路，难以满足企业对复合型技术技能人才的需求。为更好地与工程结合，从实际应用出发，进行设备选型、I/O容量计算和扩展以及地址的分配，并增加对外围电路进行设计接线等接近实际工程的实验过程。融合PLC技术、组态监控技术、网络通信技术，将CDIO(Conceive，构思；Design，设计；Implement，实现；Operate，运作)[5-8]工程教育理念应用到“PLC与组态监控”课程的综合实践教学环节中，CDIO模式与教学实践相结合，主要采用“做中学”和“基于项目的教育和学习”(Project based education and learning简称PBL)的教育教学方法，构建课程和实践之间的有机联系，使学生能以体验的方式主动地学习工程的理论、技术[9-10]，重点培养学生在实践过程中分析问题、解决问题的能力。

1 适用于CDIO的综合实训项目构建

综合实训项目是学生完成相关专业课程学习的基础上，为综合应用专业知识，提升专业技能而设置。构建CDIO模式下的综合实训项目应具有可行性、工程实用性、综合性等特性。“可行性”指项目内容应符合课程标准，技术上可行，工程上能实现，符合实践教学要求；“工程实用性”指项目应来源于实际生产，有具体的应用环境，有较强的实用价值,符合工程应用要求，实现在“做中学”“用中学”；“综合性”指项目的主要技术涵盖多门课程的重要知识点，包括PLC控制、通信、组态监控等技术, 符合解决复杂工程问题的能力[11-12]要求。

基于“PLC与组态监控”[13]课程中应掌握的PLC、数据采集、通信、组态、监控等核心知识, 针对生产监控领域提出CDIO模式的监视控制与数据采集系统为综合实训项目。教师以工程设计任务的方式发布实训任务,明确系统设计要求、系统功能要求及目标，不提供具体实施方案，引导学生分析项目的构思、设计、实施和运作，要求学生通过团队协作，将理论知识应用于项目实现过程中，依据实际工程应用完成方案设计，在设计过程中主动寻求解决问题的方法，并在实训设备上完成系统的实施、测试与运行。

2 基于CDIO的综合实训项目教学设计

2.1 项目构思

基于以下四个目标，进行项目构思：

突出工学结合的教育理念：将PLC技术、组态监控技术融入工程项目中，在项目中理解数据采集技术，掌握PLC与输入输出设备的连接方法，学习设备之间的通信技术。

增强工程应用能力：PLC是一种控制器，只有接入生产现场的I/O设备才能组成一个实用的生产监控系统。利用组态监控软件设计人机交互界面，实现对PLC的操作、控制及结果展示，在过程中理解、掌握控制系统工程的组成。

提升实训效果：利用组态软件设计图形动画、模拟PLC的控制对象，检验PLC程序的正确性，增强实训课的教学效果。

提高综合技能：通过实施数据采集与监视控制系统掌握PLC技术、组态监控技术、网络通信技术，提高综合应用知识的能力。

项目名称：监视控制与数据采集系统。

目标任务如下：

(1)按给定的硬件/软件设计监控系统，这些软硬件包括组态软件、触摸屏、PLC控制器及I/O扩展模块、14个按钮、10个指示灯、温度传感器、变频器、电动机等；

(2)完成硬件系统的电路连接，网络连接；

(3)在触摸屏上绘制启动进入、数据显示、设备控制、温度控制、电动机速度控制共五个组态界面；

(4)编写PLC程序，实现数据采集、设备控制及与触摸屏之间的数据通信；

(5)模拟仿真温度的变化，根据温度值控制电动机的速度。

教师引导学生思考、分析项目的应用需求和涉及的主要技术，以项目小组为单位进行项目的设计、实施和运行。

2.2 项目设计

根据实训任务的要求，实训项目的结构设计如图1所示。

图1 综合实训项目结构图

项目设计包括以下四个方面：

数据采集接口的设计：PLC选择具有profinet通信接口的S7-1214，自带14个数字量输入接口，10个数字量输出接口，扩展模拟量输入模块1个。其中数字量输入接口连接开关或按钮；数字量输出接口连接输出设备，如继电器线圈或指示灯；模拟量输入接口连接4～20 mA或1～5 V的模拟量，如温度变送器等模拟量。

组态界面的设计：利用组态软件在计算机上设计组态界面，下载到触摸屏运行。通过组态界面实现监测PLC及I/O设备的运行状态及控制PLC。

通信网络的设计：计算机、触摸屏、PLC控制器、变频器通过以太网交换机互联，计算机通过西门子博图软件实现PLC硬件组态、通信网络组态、程序编写、下载PLC程序，计算机通过组态软件设计组态界面、通信组态、编写脚本、下载触摸屏程序。

变频控制的设计：变频器通过以太网接口连接交换机，计算机通过西门子博图软件进行参数组态并下载到变频器，PLC通过网络接口控制变频器的频率，变频器的输出连接电动机。

2.3 项目实施

根据项目设计方案，进行项目实施并进行单元调试。

项目管理，实训周期为1周，每个项目小组由3～4人组成，其中1人为组长，全面负责项目设计、实施、运行。组员按工作任务进行分工，主要任务包括：组态界面设计，PLC程序设计，通信网络组态，系统硬件搭建及线路连接，调试运行等。项目实施流程如图2所示。

图2 项目实施流程

组态监控软件界面设计，利用组态监控软件在触摸屏上设计人机交互界面，实现参数组态、数据显示、实时数据、历史数据、设备监控和模拟调试等功能，完成人与控制系统的信息交换。

启动进入界面，绘制启动界面，如设计实训项目名称、组员姓名、启动按钮等。

设备控制界面，用按钮控制10个数字量输入通道的开/关，实现手动控制。PLC根据读取的数字量数据和模拟量数据，经过数据分析、处理和判断，从而得出输出信号，驱动输出接口的继电器或指示灯动作，实现对被控对象的自动控制。

数据显示界面，PLC读取数字量输入接口DI1～DI14的数据、模拟量AI1的数据、变频器的频率，完成数据采集功能。在触摸屏上显示14个数字量输入通道的开/关状态，如温度、变频器频率、电动机转速等模拟量数据，实现数据监测功能。

温度控制界面，利用操作人员的手触摸温度传感器头部实现温度变化，根据温度值的大小，PLC输出指令给变频器，变频器驱动电动机按给定的速度运行。比如当温度值≥30 ℃时，PLC通过变频器控制电动机高速运行；当温度值≤25 ℃时，PLC通过变频器控制电动机中速运行；当温度值≤20 ℃时，PLC通过变频器控制电动机低速运行。

变频控制界面，改变变频器的频率，从而控制电动机速度。

通信网络设计，计算机、触摸屏、PLC、变频器之间通过交换机连接实现相互之间的以太网通信。

2.4 项目运行及评价

项目软硬件实施后进行项目运行，在实训设备上进行系统软硬件的综合测试，完成设计任务要求的系统功能，并进行项目评价。

项目运行，设计系统性能、系统功能的验证清单，记录运行过程数据。点击触摸屏启动界面，观察系统运行过程，进入每一个组态界面，检查数据显示及设备控制的正确性，对有错误的软硬件进行修正，无误后绘制出硬件系统的电气接线图和通信网络图、PLC的I/O分配表和参数地址表，并保存软件的工程文件。

项目评价，每组学生均承担了工程性较强的任务，采用考核内容与考核方式相结合的评价方式。考核内容包括汇报、演示、实训报告、答辩等，考核方式包括自评、互评、教师评价等方式。评价指标包括实训任务完成情况、性能与功能完成情况、实操能力、解决问题能力、自学能力、沟通能力、团队合作能力、创新能力等。

项目总结，根据实际运行情况对实训项目的构思、技术实现进行归纳总结，撰写项目总结报告，对设计方案、软硬件实施进行评估，总结优势，找出不足，以促进项目的持续改进和优化。教师应密切关注评价指标的变化，调整各个教学环节的教学设计，达到高质量的教学效果。

项目实现过程中，通过项目构思、项目设计、项目实施以及项目运行等环节，达到培养学生综合应用知识解决实际问题能力、工程应用能力以及团队协作能力的教学培养目标。

3 结语

基于 CDIO 模式的实训教学，以教师为引导，以完成设计和实现的学生为主体，以贴近生产现场的工程实训任务为驱动，把PLC技术和组态监控技术融入实训项目中。结果表明，实训内容设计合理，缩短了理论知识与实际工作的距离，提高了学生学习的积极性和主动性，增强了其工程设计能力和综合实践能力，提升了PLC实训课的教学效果，实现了毕业能上岗的复合型技术技能人才的培养目标。