面向智能制造的PLC数字化控制实验教学改革研究与实践

摘    要：针对机械类专业PLC课程实验教学存在的实验实训设备结构封闭、难以开展创新设计实验，学生不能亲身体验设备安装组态、无法深度剖析结构原理、缺乏学习主动性等问题，文章提出了PLC数字化控制实验教学改革方案。通过重塑多层次模块化的数字化实验内容，开设以学为中心的数字化实验项目，构建工程化、综合性、创新型的PLC实验实践教学新体系，激发学生的学习兴趣与创新思维，推动教学质量与专业水平上新台阶，培养高水平工程应用型人才。

关键词：PLC数字化；实验教改；智能制造；模块化

中图分类号：G642.0      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2024）11-0080-04

一、引言

党的二十大报告指出，新型工业化的关键是以科技创新促进制造业高端化、智能化、绿色化发展，只有这样才能持续推进制造强国建设。我国制造业既要强化高水平自主技术要素供给，又要加快推进数字技术发展，推进数字产业化、产业数字化，加速制造业转型升级的进程。因此，要深入实施智能制造工程和制造业数字化转型行动，加快制造业数字化、智能化升级[1]。

当前，传统的机械设计方法在设计周期、功能、安全性等方面无法满足现代用户的需求。现代设计技术常常以各种控制器作为工具实现自动控制，借助网络平台，采用现代管理技术，运用工程设计的新思维和新手段，优化计算结果，其设计技术高效化和自动化[2]。PLC（Programm-

able Logic Controller，可编程逻辑控制室）数字化是一种基于虚拟仿真技术的技术应用，通过建立物理系统的数字模型，实现对物理系统的仿真和监测。在教育领域，PLC数字化技术可以应用于教学场景的模拟、学生行为的分析和优化、学习资源的智能推荐等方面，实现智慧教育的目标。PLC将数字信号或模拟信号作为输入和输出信号，以此完成各种类型的机械系统的控制过程。将数字化技术引入PLC课堂教学可以为学生提供更加真实、直观的应用场景。

二、PLC实践教学存在的问题

湖南工程学院机械工程学院的机械电子工程专业（以下简称“机电专业”）、机械设计制造及其自动化专业、材料成型及控制专业、焊接技术、机器人工程专业顺应时代发展，均已开设“PLC控制”课程。然而，“PLC控制”课程在实践教学过程中还存在以下突出问题。

1.传统“PLC控制”课程缺少实际机械设备和实验室环境。机械设备因笨重、体积大等原因，无法大批量搬进PLC实验室，导致学生看不到机械设备的自动化过程，造成课程单调乏味，从而无法有效激发学生学习的积极性。同时，课程需要大量的电气知识、数学知识，概念抽象枯燥，导致学生上课精神不集中，学习兴趣不高，挂科现象严重。

2.学生动手实践机会少，原因有2个方面。一是“PLC控制”课程整体上课时偏少，实验课时则更少，导致学生可动手实践机会少。二是附带有机械系统的PLC控制类设备价格较高，学校经费有限，所采购的台套数不够，需要分组实验，学生操作时间较短，动手实践机会少。特别是近几年，随着对机械类专业人才需求增加而扩招人数，这一窘况更显突出。

3.实验实训设备结构封闭，实验内容固化，验证型实验多，难以开展创新设计实验。学生只能简单操作，不能亲身体验设备安装组态，无法深度剖析结构原理，常感到课程知识枯燥难懂，缺乏学习主动性[3-5]。

积极开展“PLC控制”课程实验实践教学改革，以机械类专业为基础，强化机械基础知识，建立数字化实验教学项目。MCD是一款易学、实用的机械设计软件，同时也是时下流行的数字孪生技术，其能帮助学生在未来的实际工作中快速解决工程实际问题，减少成本投入[6-7]。在“PLC控制”实验课程中引入MCD（机电一体化概念设计），使“PLC控制”实验课程实现可视化、机电一体化，可以让学生在自己的计算机上利用虚拟软件进行仿真实验，增加了学生动手实践的机会，顺应制造业数字化、智能化转型需要，实现低成本、更高效的智能制造。

湖南工程学院机械工程学院利用数字化技术、多媒体和网络通信技术，对机械类专业PLC 实验教学进行数字化改革，通过探索机电融合的 PLC 数字化驱动实验教学方法，开发工程化、综合性、创新型数字化实验项目，建立 PLC 数字化控制实验实践教学新模式。重视数字化仿真教学的探索研究，加大政策支持力度和经费投入，增强学生学习的自主性，鼓励校企联合开发虚拟仿真教学平台等行之有效的做法，促使教师从课堂教学的主导者转变为数字化教学的监督者和引导者，并借鉴吸收国外数字化教学的先进理念与技术手段，使数字化实验教学真正起到推动教学改革、提高人才培养质量的重要作用。

（二）调整实验项目，采取循序渐进方法，吸引学生主动学习

传统的PLC实验教学只有基础实验和综合实验，验证性实验多，设计性实验少，教学改革后将增加工程实验。

1.基础实验是指基本指令的应用、定时器计数实验，主要是理解PLC的功能组成及工作原理、熟悉PLC输入/输出的含义、掌握PLC基本指令及典型程序的分析、掌握PLC梯形图及语句表的编辑方法。

2.综合实验是指基本指令在简单工程案例中的应用，主要是掌握各种编程方法的具体运用。

3.工程实验主要是针对较复杂的机械系统，设计编写较复杂的程序，实现机械系统的自动运行，其目的是结合科研项目、学科竞赛项目，为学生提供更多的工程实践项目，提高学生解决工程实际问题的能力。结合学院实际情况，未来还将开设一些风电、新能源汽车相关的PLC数字化控制实验项目。

三、PLC数字化控制实验教学改革方案

（一）结合机械类专业基础知识，开发MCD数字化应用场景

MCD是数字孪生技术中的一种重要的数字化工具，是集机械、电气、液压、气动、驱动、自动化和编程等多学科为一体的产品，是一个多学科技术融合与虚拟调试、开发的技术平台[8]。

借助MCD数字孪生技术的PLC数字化控制过程如图1所示。在数字空间中，运用MCD技术构建3D数字模型，建立HMI（Human Machine Interface）人机交互界面，在TIA（Totally Integrated Automation）完全集成自动化软件上编写PLC程序，通过PLCSIM. ADV（PLC仿真器）控制MCD模型，对设备动作、控制程序等进行虚拟调试，以数字化的形式预先验证、优化设备的设计方案。在整个过程中，运用MCD技术构建3D数字模型是第一个步骤。机械类专业的PLC实验课时不多，不可能在实验课上进行MCD建模。学生大多对计算机软件有着先天的学习兴趣，而MCD软件是一款如同乐高积木一样的高智商游戏软件，因此，教师可以利用课前时间（寒暑假）把MCD学习视频发到学习群，让学生自主学习，这样不仅节省了实验课时间，还能让学生在学习MCD技术的同时再次学习机械类专业知识，将机械类专业知识有效地运用起来，使所学知识融会贯通。

（三）将现有的实验设备数字化，使实验设备利用率最大化

近几年，湖南工程学院机械工程学院引进了较为先进的机器人教学设备，由PLC控制，自动化程度高。但因价格昂贵，采购数量有限，作为学生的实验教学设备，其满足不了教学需求。利用数字化技术，将现有设备制作成数字化虚拟设备，并利用MCD技术，让学生按照自己的设计理念对设备动作、控制程序等进行虚拟调试，可做到一人一机，且不影响设备的性能。虚拟调试通过后，再到实体机上完成实体控制过程，实现低成本、更高效的智能制造，不仅满足了学生的实验教学需求，还能将实验设备使用率最大化，极大地提高了教学水平和教学效率。

（四）开发各具专业特色的PLC实验教学项目

湖南工程学院机械工程学院机械设计制造及其自动化专业、材料成型及控制专业“卓越工程师培养计划”“工程教育认证”整合PLC课程实验教学内容，培养学生的实践能力。为此，PLC数字化实验主要从工程的角度出发，紧密结合机、电、液、气、控制等领域，构建更具机械设计制造及其自动化专业、材料成型及控制专业特色的PLC数字化控制实验教学项目，强化机械类专业特色，为以后的工程实践奠定基础[9]。

四、PLC数字化控制实验教学总体实施过程

（一）了解学生需求和同行经验，制定实施方案

以座谈会的形式了解学生对PLC课程的需求，从源头上寻找教学改进的方法；到其他高校调研，向同行学习取经，获取PLC数字化的教学方法；向已毕业学生和用人单位了解最新技术前沿，收集工程案例，听取校内外学生、企业对知识结构、课程设置的意见；广泛查阅各种文献，借鉴可执行的经验，为课题研究打下基础。

（二）优化整合实验教学内容，将原有的实验设备数字化

1.增加工程实践案例，丰富实验项目种类

当前，智能制造业、工业机器人领域日益蓬勃发展，因此，教师应把典型的工程实例引入实验教学，用MCD技术将机械系统制作成3D数字模型，再并入到PLC数字化实验项目中，寻找更多的工程案例，丰富实验项目种类。

2.用新技术改造原有的实验设备，实现线上线下混合式教学

湖南工程学院拥有几台大型智能化机械实验设备，但因为台套数少，不能大面积推广使用，导致PLC课程设计性实验项目少。用PLC数字化技术改造实验室的机械设备，可以很好地解决这些问题。所以，在本次教学改革项目中，计划完成一套大型实验设备的改造任务。例如，机械工程学院工业机器人综合实训室的BDT-Robot机器人，因其价格昂贵，采购数量有限，致使学生动手机会少。因此，教师可将PLC数字化技术融入到设备中，重新调整实践教学过程，如图2所示。同时，考虑课时问题，将建立HMI、在TIA上编写程序、通过PLCSIM. ADV控制3D数字模型等纳入实验教学中。将PLC数字化全过程纳入课程设计、毕业设计等实践环节，既满足了教学需求，又实现了线上线下混合式教学，将教学与工程实际有机地结合起来，培养与企业、社会需求相一致的高水平应用型专业人才。

3.引入新技术、新成果，确保教学内容与工程实际相结合

在原有实验教学的基础上更新实验内容，及时给学生讲解与教学内容相关的新技术、新知识、新方法，开阔学生的视野，体现教学内容的时代特色。结合湖南工程学院应用型高校特色，设计开发风电、新能源汽车相关的数字化控制实验项目。

（三）将数字化过程融入实验课堂，实现形象化、可视化教学

根据PLC数字化控制实验项目的3个层次，按照如图3所示的流程，采用不同的教学方法，如翻转课堂等，以直观形象、可视化的方式展现PLC基本原理与应用。整体实验项目以实践的方式展开，将机械、液压、气动、控制等各门学科综合运用起来，让学生以数字化的方式自主设计实验方案。这样既体现了数字化特色，还提高了实验项目的设计性比例，给予学生更多的设计空间。课堂上，当学生在实体机上调试时，教师可适当给予指导，避免学生出现安全问题。在课后环节，布置课后作业，引导学生自行设计小型科技作品，激发学生的学习兴趣和创造性。在学科竞赛领域，教师应发挥学生的潜能，并给予适当的指导。

（四）开发具有机械类专业特色的数字化实验教学项目

以往在机械类专业开设的“PLC控制”课程只是单纯的讲授PLC知识点，教学改革后将打破这一传统，即以PLC数字化课程为对象，结合机械类专业各门课程，开发数字化实验教学项目，借助网络平台，共享实验内容，建立开放式、网络化、数字化实验教学模式。