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课程简介 教师队伍  

■ 课程简介
课程名称: 可编程控制器原理及应用 一级学科:  08 工学
二级学科: 0806 电气信息类 教学层次:  本科
负责教师: 郑萍 学校名称:  西华大学
院系名称:   申报状态:  已获奖
申报级别: 省级 申报文件下载:  无下载文件
获奖名称: 获奖年度:  2006
主页地址: http://web.xhu.edu.cn/jpkc/sbb.aspx 是否交换: 
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课程介绍:

4-1 本课程校内发展的主要历史沿革
长期以来,PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场,《可编程控制器原理及应用》是一门重要而发展迅速的学科。《可编程控制器技术应用》课程在我校经历了五次改革:
1)? 1992年,将可编程控制器作为《工厂电气控制》的扩展章节内容,学生通过学习,感受新型控制器的特点与功能,明白其发展方向;
2)? 1994年,将可编程控制器作为《工厂电气控制》的重要章节内容,学生通过学习,能基本掌握可编程控制器技术解决工程问题,可对复杂的继电接触器系统进行改造,收到良好的应用效果;
3)? 1998年,可编程控制器独立成课,课程名称定为《可编程控制器原理及应用》,是我院自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、和信息工程各专业一门重要的技术(专业)基础课和主干课程。我校投资建立了三菱 FX2 可编程控制器实验室,我们自己开发了与之配套的模拟输入板,编写了教学大纲和实验指导书,使学生的动手能力得到了很大的提高;
4)? ?2OOO 年~2OO5 年,我校及时更新和完善了可编程控制器的实验设备,增加了 FX 2N机型,可采用CCLINK现场总线和RS-485对新购的PLC进行联网。我们又与昆仑通太公司合作,在课程中增加了工业组态软件的介绍,并开发了新型的基于工业组态软件MCGS的PLC远程仿真控制系统和系列PLC仿真控制系统,让学生学习具有完整控制层、监控管理层、远程监控层三层结构的PLC控制系统,大大增强培养学生的工程设计能力和创新能力,并重新修订了教学大纲;
5)? 2006 年我们的日元贷款项目(150万)设备到位,建设了设施先进、功能完善的可编程控制器网络实验室。该系统包括:工业以太网、10网、CCLINK现场总线等多级网络构成;具备光纤环网通讯冗余,主站,备用主站,故障站报警及自动恢复的演示功能,具备CPU、电源、通讯冗余,逻辑、控制,伺服系统多轴运行;可以多种方式控制远程设备站,远程智能站,远程IO站,并提供PROFIBUS-DP接口,以OPC方式通讯,客户机以IE浏览方式访问服务器,我们又重新修订教学大纲和实验指导书以适应新的教学内容。
目前,我院有6名教师可以担任这门课的本科、研究生层次的教学,有8名教师可以承担学生的课程设计、毕业设计和相关的科研任务,建立了高水平的一体化全集成实验室,构建了完善的课程教学体系,从独立设课至今为我院的三个宽口径本科专业(涵盖六个专业方向)近3000学生提供了理论学习、实践能力培养和工程研究。

4-2理论课和理论(含实践)课教学内容
4-2-1结合本校的办学定位、人才培养目标和生源情况,说明本课程在专业培养目标中的定位与课程目标
我校是省属院校,定位是办出特色,为四川省经济发展做出贡献。具体体现在人才培养的目标上是:适应二十一世纪科技发展需要,德、智、体全面发展,具有坚实的理论基础和创新能力,较系统地掌握电工技术、电子技术、信息技术、控制理论、电气工程和计算机应用技术等宽广的专业知识,并具有一定的科技开发、工程设计、科学研究和管理能力和再学习能力的人才。而且,我们的毕业生应了解本门学科的发展动态;掌握文献检索、资料查询的基本方法,具有获取信息的能力。
《可编程控制器原理及应用》课程是电气工程、自动化等专业最重要的一门专业课程之一,该课程的学习直接影响到学生在社会上的竞争力,影响到学生的就业和今后工作的发展。
由于《可编程控制器原理及应用》是一门综合应用性的课程,既需要坚实的理论基础,有具有强烈的工程应用背景,其内容涵盖了控制领域的各个方面,因此本课程的目标是:学生通过本课程的学习,其基本任务是使学生掌握可编程控制器(PLC)的原理、特点、硬件结构与应用等。使学生通过对本课程的学习和研究,能进行基本的系统分析、可编程控制器控制系统电气系统的选型、软硬件的设计、系统的调试等,培养其良好的应用能力,为毕业后的工程实践打下扎实的基础。
4-2-2知识模块顺序及对应的学时
我校实行学分制后,将《可编程控制器原理及应用》的总学时定为48学时,其中理论课38学时,实验课10学时。理论课程对应的知识模块顺序及学时如下:
1、? 可编程控制器基础(包括电气控制系统的一般概念 、常用低压电器 、可编程控制器的特点、组成与原理等)4学时;
2、? 可编程控制器指令系统(包括:基本逻辑指令、STL指令、主要的功能指令以及对应的梯形图的图形编程规则、仿真软件的应用)18学时;
3、? 可编程控制器一般编程应用(包括可编程控制器的选型与硬件配置的确定、可编程控制器系统设计和调试步骤)5学时;
4、? 可编程控制器特殊功能模块(包括模拟量输入输出模块、PID模块控制模块)3时;
5、? 可编程控制器网络与通信及上位监控系统(包括PC机与PLC的通信(RS232/422)、基于RS485的PLC对等网络以及MCGS组态软件介绍)6学时;
6、? 可编程控制器综合控制系统(工程应用例子)2学时。
4-2-3课程的重点、难点及解决办法
课程的重点在第2、3部分:可编程控制器指令系统和可编程控制器一般编程应用,这部分是该课程的核心部分,学生如果系统地掌握了这两部分知识,就可以进行基本的编程设计,就有了基本的整体轮廓和整体系统概念;
课程的难点在第5部分:由于当今的PLC控制系统都具有连网功能,构成由PC机、工业组态软件为平台的上位监控系统,面对扑面而来的多重知识,学生需要有很好的基础方能理解透彻。
课程组首先让师生双方都明确课程目标,教师通过精讲,通过运用有效的教学手段和行为引导教学法,通过工程项目的综合演练,解决好让学生牢固掌握课程的重点和难点,并能够真正运用。另外,我们必须拓展课堂的时间与空间,以便完成我们授课的内容。我们让学生较早就学会仿真软件的使用,使学生上完课立即使用仿真软件进行编程练习,学用结合,然后再到实验室进行上机实际操作;对MCGS的推广学习中,通过提供MCGS的初级和高级教程,让学生自己进行学习,最后要求完成具有上、下位机构成的PLC综合实验。所讲授的内容既反映了目前PLC控制技术的现状,又要融入了新技术的发展,将实践性、实用性和与时俱进的先进性有机结合。我们培养的学生在工作中能很快熟悉国外的INTOUCH、IFIX等组态软件的使用,对触摸屏等人机界面的更是很容易上手。
4-2-4实践教学的设计思想与效果(不含实践教学内容的课程不填)
实践教学本课程教学的重要环节,是理论联系实际、培养实际操作能力和科学研究方法的重要手段。通过实践教学可以巩固所学的理论知识、培养观察问题、分析问题和解决问题的能力。
1、实验手段的设计思想
1)采用真正的工业现场所用的PLC控制器,而不是用于实验的简易PLC,使学生接触的是货真假实的可编程控制器;
2)虚拟和实际的实验设备相结合,使学生在虚拟中感受真实,在真实中发挥创新的想象力;
3)单一的PLC系统和网络系统相结合,本地控制和远程控制相结合;
4)大型PLC控制系统用于实验,提供真实的分布式控制系统构架。
2、 实验内容的设计思想
将实验分为基础实验、创新实验、综合演示实验与自创性实验,既保证学生对课程内容的核心知识点的掌握,又激发其开拓精神,进行创新性设计实验,也可通过综合演示实验开阔眼界。实现“分步、分层”的实验教学模式,从《可编程控制器实验指导书》中我们可以看到,我们给学生的要求分一是基本的实验内容;二是以“最后要求”或“思考题”的形式要求学生进行进一步的思考与实践。比较优秀的学生可在完成以上内容后自创实验或去探索新的解决方案。这种“下”要保“底”,而“上”不封“顶”的“分步、分层”的实验教学方法,既保证了基本的教学要求,又提倡了学生自主学习与创新思考。
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4-2实践(验)课教学内容
课程设计的思想、效果以及课程目标
教学计划中安排二周的课程设计,由指导教师统一布置,分配任务,然后分组进行。其目标:要求学生完成一项典型PLC控制的设计任务,按照PLC开发应用的全过程步骤,以典型生产设备控制为设计对象,真刀真枪地完成一项实际PLC控制的开发应用设计任务,受到一次电气工程师分析解决工程问题的实际锻炼,加深和巩固所学过的专业技术知识,达到学用结合的教学效果。
4-2-2课程内容(详细列出实验或实验项目名称和学时)
1、我们开出的基础实验如下
1)双灯闪烁、自动关闭程序的设计(2学时 );???????????
2)16彩灯的12种追灯花样控制程序设计(2学时 );
3)带强通通行的十字路口交通灯控制程序设计(2学时 );
4)FX2系列PLC与计算机的通信实验(2学时 );
5) 基于MCGS组态软件的“灯塔之光”控制系统设计(2学时 )。
2、我们开出的创新实验如下:
1) 基于MCGS组态软件的混合液控制系统设计(2学时 );
2) 基于MCGS组态软件的机械手控制系统设计(2学时 );
3) 基于MCGS组态软件的物料运送控制系统设计(2学时 );
4) 基于MCGS组态软件的5层电梯控制系统设计(2学时 );
5) 基于MCGS组态软件的输送带控制系统设计(2学时 );
6) 基于MCGS组态软件的啤酒灌装控制系统设计(2学时 )。
3、我们开出的演示实验如下:基于现场总线的远程网络控制系统综合设计(演示实验)(2学时 );
4、 自创性实验:鼓励学生自己设计实验,水平高效果好可得到加分。
基本实验为必做实验,其它实验为选做实验,自创性实验主要由学生课余完成。
4-2-3课程组织形式与教师指导方法
由主讲教师帮助介绍实验的内容、要求,并提前通知学生预习实验内容,做好实验准备,通过仿真软件预先准备好自己设计的基础程序,到实验室就可在实验教师的指导下完成PLC的调试和临场的设计任务,教师当场检查学生的实验情况并给出现场考核成绩,课后时间整理提交实验报告。
4-2-4考核内容与方法
1、考核内容:考核学生对课堂教学有关方面知识内容的掌握;考核学生基本动手能力和一般素质的掌握;考核学生分析问题、解决问题的实际能力;考核学生创新意识和综合素质能力。
2、考核方法
每个实验成绩采用满分100分评分,加权法计算总成绩:
??? 总成绩=基本实验成绩×80%+创新性、自创性、综合性实验成绩×20%
??? 基本实验成绩考核:每一个基本实验成绩=实验室成绩×50%+实验报告成绩×50%??????????????????????????????????
??? 创新性、自创性、综合性实验成绩考核:以学生的思路设计、实验方案、实验过程、实验结果的分析等因素评定成绩。
采用课堂教学、实验中的表现、实验结果、实验报告、创新意识和综合素质能力等全面考核,给出恰如其分的成绩,并计入学科成绩。
4-2-5创新与特点
1、学生学科成绩全面考核;2、拓展课堂与实验室的时间与空间,加强学生实验和实践性教学环节的力度;3、实验层次多样化,内容新颖、连贯性好;4、突出了对学生综合素质、创新意识和工程实践能力的培养和提高;5、 课程设计内容新颖,实用性强,对学生锻炼大。

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4-3教学条件
1、 教材使用与建设
以现有的日本三菱公司的高性能小型机 FX2N 为背景,选用在PLC应用领域的著名资深教授廖常初编写的优秀教材《FX系统PLC编程及应用》(机械工业出版社2005年04月01日出版)。该书内容全面,循序渐进,知识点把握好,而且通过实例介绍了PLC的通信程序和用VB编写的计算机的通信程序的设计方法。用例程介绍了PLC之间的并行链接和N:N链接通信协议。书中还介绍了编程器和编程软件的使用方法,系统设计和调试的方法,提高系统可靠性和降低硬件费用的方法,以及微型显示模块的使用等内容,这些内容作为学生的深层次学习和重要内容,该书是目前讲述FX2N内容的最新颖、实用的一本书。
项目负责人郑萍教授主编完成了教材“现代电气控制技术”,结合低压电器和变频器,系统地编写了逻辑控制系统的设计方法以及PLC应用技术所涉及的相关知识,为学生学习PLC控制系统设计提供了完整的内容,是学生课程设计和毕业设计的重要支撑知识。
我们以PLC控制系统为核心,构成核心课程集群,还完成了新教材 “自动化专业英语”、“自动控制原理”、“计算机控制技术”、“电气传动”、“建筑电气技术”等教材的编写,尝试构建了“可编程控制技术”为核心,以“电气控制技术”、 “传感技术” 、 “过程控制技术”、“微机监控技术”等构成核心课程集群,构建了基于核心课程集群的综合实践教学模式。
2、? 扩充性资料
????????? 钟肇新,彭侃.可编程控制器原理及应用;
????????? 周美兰等.PLC电气控制与组态软件(含电子软盘一张). 科学出版社,2003.5;
????????? MCGS初级教程. 昆仑通态公司,2003;
????????? MCGS高级级教程. 昆仑通态公司,2003;
????????? FX可编程控制器编程手册.日本三菱公司,2002;
????????? GX DEVELOPER 使用手册. 日本三菱公司,2002;
????????? FX通信用户手册. 日本三菱公司,2002;
网站:中国工控网 http://www.gongkong.com、PLC之家 http://www.f108.com 等20余个网站。    
1、?? 实践性教学与网络教学环境
《可编程控制器技术应用》课程有专门的PLC实验室,可提供 FX系列可编程控制器的基本实验,还可提供用基于CCLINK现场总线和RS-485的PLC网络控制系统实验;在课程中增加了工业组太软件的学习,并开发了新型的基于工业组态软件MCGS的PLC远程仿真控制系统和系列PLC仿真控制系统,让学生学习具有完整控制层、监控管理层、远程监控层三层结构的PLC控制系统,可提供具有鲜明特色的创新型、综合型实验;2006 年利用日元贷款项目建设了设施先进、功能完善的全集成可编程控制器网络实验室。该系统可以说在目前四川省高校的PLC实验室平台水平上具有明显的先进性。
另外,我院现有投资100多万元重点实验室、300万的专业中心实验室。构建了“可编程控制技术”为核心,以“电气控制技术”、 “传感技术” 、 “过程控制技术”、“微机监控技术”等基于核心课程集群的综合实践教学模式。学院自己有网络服务器,建设有自己的网站,现有PC机200多台,设备数量配备充足,能够成批接纳学生分组进行实验。可为我校本科生、研究生学习和研究提供场地。学院自己有网络服务器,建设有自己的网站,现有PC机200多台,设备数量配备充足,能够成批接纳学生分组进行实验。可为我校本科生、研究生学习和研究提供场地。
学院校园主干网速率达1000M,学校购买了Elsevele\ ISL(IEEE Xplorer)\ EI\ VIP数据库\万方数据库\超星数字图书馆,教师查阅资料十分方便,信息传递快捷,学生还可以到电子阅览室通过网络学习并了解业内动态信息,有利于学生能力的提高。
主讲教师可以将课件、练习题、参考文献等教学相关的资料上传到校园的服务器上,供全院学生下载使用。

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4-4教学方法与教学手段
课程组近年完成了两个省级教改研究课题“新型工程实践与实验教学体系的探索与研究”、“电气信息类专业人才培养模式及教学内容体系改革的研究与实践” 目前又有两个省级教改研究课题立项研究。我们在教学理念、教学方法等方面不断摸索,形成了以改革教学内容为基础,优化课程设置,合理知识结构,突出能力培养,强化实践性教学的一整套方法和体系,从转变教育观念,确定人才培养目标,深化教学改革,改进教学内容和方法多方面入手,构建了一个教学改革的平台。
1、? 采用了“立体化”的教学模式
????????? 课程组开发了本课程的多媒体课件,开发了系列PLC控制的FLASH动画;
????????? 提供一整套由主教材、参考书、习题库、编程平台软件、仿真软件、设计案例、链接相关的网站等组成的完整体系,形成了交叉补充,相互配合的一个教学资源的有机整体;
????????? 吸收个性发展突出的学生直接参与科研,真枪实弹的进行科技创新实践,更有效的培养锻炼了学生工程实践能力,取得了明显的实际效果;
????????? 组织在项目设计能力较强学生上讲台,展示成果、树立榜样,从心理上打破一般同学认为搞项目的神秘感;组织在工作中发展突出、小有成就的学生会校现身说法,介绍技术发展、自已成功与成才之路,营造一个奋发向上的氛围和风气,并带回目前工控领域最新的信息,激发学生的设计热情(参见附录3-1,3-2);
????????? 组织专业课教师为学生进行培养素质和能力的专题讲座,例如如何撰写科技论文、如何进行科研选题、课题调研、情报检索、使用国标、科技创新等。
2、? 科学的实践课程体系
建立工程实践的和实验教学的整体观念,构建新型的完整的工程实践与实验教学体系。实验课、课程设计、生产实习、毕业实习和毕业设计按其内在联系进行优化组合,注重这几个环节的层次性、关联性、渐进性、整体性。让学生从验证性实验向探索性实验过渡,从操作性、单一性实验向设计性、综合性实验过渡,最后完成从技术基础向工程过渡的过程。我们的实践教学分为三个部分:
1)基础实验:与基础平台的知识相对应,与基础平台的教学内容吻合。要求学生掌握可编程控制器的基本原理、工作过程、了解可编程序控制器特点,以及与传统自动控制系统的比较; 熟悉可编程序控制器组的硬件配置、掌握可编程序控制器基本指令,能编制、调试、运行程序,掌握编程软件的使用、能借助产品说明书和相关手册,查阅有关数据、功能和使用方法的能力; 能完整地设计简单的PLC控制系统。
2)创新性实验:作为基础平台知识与高级平台知识的结合点,该实验只有把基础实验做好的同学才能选做。通过该实验,学生可以完成上下位机结合的控制系统设计,工业组态软件的使用和设计方法,但未涉及到网络控制;
3)特色实验:与高级平台的教学内容相对应。通过开设的灵活性、创新性和综合性的现代特色实验,掌握PLC的通信、网络控制方法,学习设计先进的PLC网络控制系统。为学生提供以下实验:
????????? 基于现有计算机资源,利用工业组态软件MCGS提供丰富、灵活、方便的监控与调试等功能;
????????? 将新型的工业技术结合在实验中,让学生学习具有完整控制层、监控管理层、远程监控层三层结构的PLC控制系统;
????????? 开发了PLC的网络控制系统,可实现FX2N的对等网实验、N:N网络实验,1:N网络实验,而且所有的网络实验都建立在上位监控的组态软件之上;
????????? 开发了基于PLC控制的变频调速系统,可实现基于上位机控制的PLC变频器多段速调速,还可以实现基于RS485通信的无级调速。
????????? 开发了基于上位机控制和CCLINK现场总线的PLC控制系统。
我们的特色实验在培养学生的综合设计能力,主要面向课程设计提供实验平台。
4) 开发性实验:该实验与学生的课程设计、毕业设计的内容相对应,为学生提供接近当今技术的先进平台。利用我们获得的日元贷款项目150万,建设了设施先进、功能完善的可编程控制器网络实验室。可为学生展示当今工业控制领域里最先进的控制技术,可为学生的课程设计、毕业设计提供先进的实验技术平台。
?????? 可提供基于RS232、RS485的PLC网络控制系统开发平台;
?????? 可提供基于工业以太网、10网、CCLINK现场总线等多级网络的PLC控制系统开发平台;
?????? 可提供基于PLC的冗余系统开发平台;
?????? 可提供逻辑控制,过程控制,伺服系统多轴运行等功能的设计平台;
?????? 可提供变频器控制系统开发平台;
?????? 可提供PROFIBUS-DP接口,开发与西门子PLC控制系统通信的平台;
?????? 可提供各类OPC方式通讯平台;
?????? 可提供上位机组态控制,实现报表,实时曲线,历史曲线,安全机制,动画等功能,为全面的自动化系统设计提供平台;
?????? 可提供基于B/S模式的远程控制平台。
4)独特的校园文化:以实验室为依托,组织学生开展第二课堂教育活动。我院电子协会、电气协会成立多年,坚持每年组织设计制作竞赛,所评出的各级成果奖与学生的综合考评相结合,在学生中影响很大。课余科技活动的提倡,不但把学生从游戏厅上吸引到科技活动中,通过实践活动引导学生和激发学生自主成材。将专业教育与第二课堂相结合,与校园文化建设相结合是我们特色,它不但为我院全国电子竞赛不间断地提供了优秀人才,并构成了一种特殊的校园文化生活(参见附录3-3);。
3、建立新的实践环节的考评体系
??? 实践环节的考评体系是实践环节的教学任务得以全面完成的有力保证。通过实践环节的考评,激发学生勇于实践、勇于探索的精神。对在实践环节中学生的成绩进行公正的评价。
4、?科研促教学,形成逼近工程实际的课程设计和毕业设计
本专业从一开始设立,就非常重视相关的科研工作。我们完成了多项科研任务。
????????? 我们与西门子(中国)有限公司自动化与驱动部(西南地区)签订了合作协议书,研究可编程控制器相关应用技术,对相关研究项目进行咨询和相关人员进行培训,最近又与成都康特(电子)集团公司签订了合作协议书;
????????? 省科技厅应用基础研究项目
“水轮机微机负荷调节器应用研究”
“DIVICENET现场总线技术研究”
????????? 四川省教育厅重点科研项目
??????? “基于DSP技术无速度传感器异步电动机控制系统的研究与应用”
“嵌入式Web传感器技术研究”
“全数字式同步电机控制系统研究”
????????? 四川省杰出青年学术带头人培养基金项目“基于神经网络的模糊控制器的研究及应用”;
????????? 教育部西部高级访问学者资助基项目“仿人智能控制技术及应用研究”;
????????? 完成了成都全兴酒厂的“锅炉微机控制系统”设计;
????????? 完成了成都市环保设备厂的“脉冲控制仪研制” 设计;
????????? 完成了成都市环保设备厂的“都江堰市人防警报控制系统” 设计;
????????? 完成了成都市环保设备厂的“青白江区人防警报控制系统” 设计;
????????? 完成了成都市环保设备厂的“府河电气集团有限公司,LR2000线路录波器” 设计;
????????? 完成了四川省重点实验室项目“信号与信息处理微机网络平台建设”。
科研将最先进的研究成果充实进课程内容,将先进的教育思想溶入课程体系,将科研过程中严谨、求实、创新、存疑的科学精神带入课程教学。为学生直接参与科研项目创造了机会。

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