制冷与空调专业《PLC编程与应用技术》课程教学探讨

张品 段欢欢 吴殿法 刘丹

摘  要：PLC在制冷空調控制系统中应用越来越广泛，并且有着很大的应用前景，目前制冷与空调专业《PLC编程与应用技术》课程教学中教学形式单一，实验内容与专业脱节。本文以培养合格的、面向工程应用和开发型人才为目的，从教学方法和教学内容上对课程进行探讨，结合项目教学方法，设计了与《PLC编程与应用技术》课程相配合的教学项目。项目教学点燃学生的求知欲和探索欲，提高学习兴趣，教学项目锻炼了学生分析和解决问题的能力，提高了学生制冷空调控制工程的实践能力，为培养制冷领域智能化人才奠定了坚实的基础。

关键词：PLC技术;教学研究;工程应用

一、概述

随着我国经济社会的发展，制冷技术在生产生活中的应用越来越广泛，人们对制冷空调系统控制的安全性、稳定性和节能性也提出了越来越高的要求。自动控制已成为提高制冷品质和经济性的最有效手段之一，采用自动控制能够保证制冷系统安全稳定地运行，达到高效节能的目的[1]。随着自控元器件的发展，制冷空调系统的控制技术方面取得了很大的进步，由传统的继电器控制向程序化、数字化方向发展，由局部自动控制到完全自动控制发展。可编程控制器（PLC）控制在大型制冷装置自动化中应用广泛，如螺杆式和离心式压缩机冷水机组、溴化锂冷水机组、并联压缩机组等多采用PLC控制，并且由于PLC编程简单，功耗小，可靠性和灵活性高，越来越多地应用到小型制冷装置的自动控制中[2]。具有制冷专业知识又掌握PLC应用技术的毕业生在制冷行业中供不应求。在我国工科高等院校中，制冷空调专业将《PLC编程与应用技术》作为一门核心专业课程，使学生不仅具备制冷专业知识而且具有一定的 PLC 知识，提高学生对制冷空调自动控制系统的设计和改造能力，满足企业对此方面人才的需求。在此背景下，如果教学方式不变，仍以理论加实验教学为主，脱离与制冷空调工程应用的实际联系，那么学生在专业领域的工程实践和创新能力的培养就难以落实。因此，本文从教学方式和教学内容方面，探究课程教学改革的方法。

二、《PLC 编程与应用技术》课程的教学现状

（一）课程内容丰富，但是对学生创新能力培养方面缺乏有效实践

《PLC 编程与应用技术》是制冷空调专业的一门专业核心课程，课程的学时总数大致为48学时，其中理论教学24学时，实验教学24学时。理论课程通过介绍PLC的基础知识和程序设计方法，使学生熟悉PLC的基本组成、工作原理，熟练掌握西门子PLC的指令和编程方法，实验环节通过生产生活中的控制实例，验证指令功能，学习指令应用以及程序设计方法学习各种控制要求的处理方法和编程思路，使学生熟练掌握西门子PLC编程软件的使用、接线方法，对指令进行验证学习。培养学生具有PLC系统的设计、调试和开发能力，以及PLC系统的设备运行、管理、维护和改造能力。在这种理论教学加课后实验的传统教学模式中，学生的工程实践和创新能力培养不足，对分析问题和解决问题的应用能力锻炼不够，对于培养合格的、面向工程应用型人才十分不利。

（二）原有实训模块与专业脱节，不能满足未来对学生培养目标的延伸需求

PLC课程教学中的实验课程以PLC实训装置为教学平台，通过验证性的实验项目，帮助学生理解指令的功能，由于 PLC 实训设备是固定的项目模块，如红绿灯设计、天塔之光设计、抢答器设计，溶液自动混合搅拌等验证性实验项目，没有将PLC运用在制冷空调系统的自动控制中，实验内容与实际专业中的应用存在脱节现象。这在某种程度上影响了制冷空调专业的学生对 PLC在制冷空调领域中应用的理解，导致学生所做的项目与制冷空调行业的企业脱轨，不能真正掌握 PLC技术 在制冷空调实际工程中的应用，不具备进行实际制冷工程自动控制系统的设计、改造和开发的能力，因而不能满足用人单位的期望。

（三）学生求知探索欲望强烈，但是现有的教学无法充分调动其积极性

《PLC编程与应用技术》这门课程实践性较强，学生有充足的时间进行实操训练和探索。部分学生上完课后表示希望在完成验证性实验后，能够进行一些设计性和创新性实验，特别是跟制冷空调专业相关的控制设计，体现出这门课程在专业领域中的应用，以此培养他们的思考能力和解决专业问题的能力。目前课程的安排，使学生安于完成实验验证，缺乏探索的途径，抑制了学生的好奇心，使学生缺少驱动力，无法充分调动其积极性。

三、课程教学设计

（一）教学方式的创新

针对应用型人才的培养目标，根据企业对技术人才的能力要求，进行课程项目化，改变传统理论加实验教学模式的不足[3]。课程的项目化分为以项目为基础和以项目为中心，以项目为基础的课程项目即基础项目是将项目作为课程设计的基础，学生通过参与项目，解决实际问题，获得学科知识，培养工程能力，并提升综合素质;以项目为中心的课程项目即实际案例是将项目作为课程设计和实施的中心，以解决项目问题为目标，在项目真实情景下围绕下项目任务开展[4]。在本课程项目化设计中以 《PLC 编程与应用技术》课程为核心，本专业其他相关课程如 《制冷原理与设备》、《自动控制原理》、《制冷装置设计》、《空气调节》、《制冷空调自动控制技术》等与之建立内容间的有机联系，通过企业调研，结合当前在制冷领域中PLC的典型应用进行基础项目内容设计和实际案例的选择。基础项目能够通过任务引出和梳理所要学习的知识，避免学生在学习理论知识时感到枯燥乏味，没有兴趣，而且能够帮助学生理解和掌握知识。实际案例通过在真实的情景下完成高要求的真实的工程项目任务，使学生涉及更多学科领域，对多学科知识有更好的掌握，培养学生具备解决各类复杂工程问题的能力。基础项目和实际案例的结合既能让学生在循序渐进地解决问题的过程中不断地学习和提高自己的知识储备又能在真实工程情景中结合工程项目的实际，创新性地解决复杂工程问题。项目教学以学生为中心，课前发布项目任务，课堂通过教师对基础知识的讲解、对任务进行解读和分解，最后学生完成任务并进行讨论的过程进行项目式教学，实施过程引导学生积极主动探索以获得与项目案例相关的知识，从而培养学生具有终身学习能力、工程实践能力以及创新能力[5]。

（二）教学内容的优化

PLC教學项目和案例的内容设计是关键，设计的项目和案例既要体现出在专业领域中的应用，又要融合所要学习的理论知识，并且能够与其他专业课程知识融会贯通。根据《PLC 编程与应用技术》课程的教学内容和课程目标，结合PLC技术在制冷空调控制系统中的应用，笔者对教学项目和案例内容进行了设计，设计的教学项目和案例既包含了 PLC 典型的控制技术，又突出了PLC技术在制冷领域中的应用。项目设计遵循由单一到综合、由简单到复杂、逐渐深入的原则，将理论知识融入到实践操作中。任务式的项目教学既能让学生较好地理解并掌握 PLC 的基础理论、基本指令和程序设计方法，又能深入地了解和熟悉制冷系统的控制过程，不仅丰富了学生的专业知识又培养了他们的实践能力和创新思维。其中，基础项目设计有九项，培养学生正确选用PLC、正确安装和调试PLC的电气控制线路、熟练使用PLC西门子软件的各项功能、能够使用PLC编程语言编写控制程序的能力;实际案例有两项，培养学生设计、改造、革新冷库和空调控制系统的能力。基础项目设计和实际案例如表1 所示。

（三）具体实施过程

其中，项目一：机组启动-运行-停止控制，起保停电路是PLC 的典型电路，也是入门基础电路，是通过 PLC 和按钮开关实现机组的启动、运行和停止的控制，该项目可以让学生区分可编程控制器和继电器控制的不同，以及它们之间的联系，理解和掌握位逻辑指令的应用、 PLC 软件的使用和硬件接线设计。项目二：定时融霜自动控制，使学生理解和区分四种定时器指令的异同，并掌握时间日期指令的工作特点和应用。项目三：温度双位调节控制，使学生掌握PLC 对模拟量输入的读取、转换和处理的方法，以及对数学运算指令的编程及应用。项目四：温度PID调节控制，使学生掌握PID相关指令的算法和参数，以及组态和调试方法，通过模拟量闭环控制系统实现温度控制。项目五：压缩机能量调节控制，使学生掌握PLC与变频器的通信协议和 PLC控制变频器的方法，从而实现对活塞式压缩机和螺杆式压缩机的调速。项目六：制冷系统参数的动态显示和流程图绘制，使学生掌握人机界面的组态和应用。项目七：制冷机组的自动运行控制，通过对氨制冷机组和溴化锂制冷机组自动运行程序的设计，使学生掌握运用经验设计法和顺序控制设计法来进行程序设计。项目八：冷库空调监测管理系统，使学生理解PLC通信，掌握利用PLC构建上位机和下位机的工业网络结构，采用工业以太网等网络进行数据的通信，实现对冷库运行过程的监测和管理，如参数显示、数据保存、故障报警等功能。项目九：货物自动码放控制，通过设置冷库自动摆放货物的场景，使学生掌握高速脉冲的输出与高速计数器的运用，通过PLC 高速脉冲输出和高速计数器对机械手臂进行运动控制，实现货物的摆放，该项目还对学生的逻辑思维和调试能力进行了锻炼。以上教学项目不仅让学生能掌握了PLC控制技术，同时让学生熟悉了 PLC 在制冷空调控制系统中的应用，能够将相关的专业课程知识交叉融合，构成一个更加完整的体系，让专业知识更加立体丰富。

企业实际的工程项目往往是综合性的复杂工程问题，各控制之间相互联系并相互影响，除了基础项目设计，还应选择一些综合性的实际工程案例项目，综合性实际案例项目要求学生不仅能够熟练掌握PLC的基础知识，还要具有制冷空调自动控制系统的分析和设计的能力，使学生在解决真实的项目问题中得到培养和提高。结合PLC技术在当前制冷领域中的应用前沿，选择两个案例项目，一个是自动化冷库控制系统综合性项目，要求对穿堂，冷藏间、冻结间、预冷间等不同房间的货物进行自动码垛，不同房间的温度进行自动运行调节并联网进行监控管理，这一案例综合了制冷系统的压缩机控制，温度控制，融霜控制，保护控制，显示和远程控制的程序设计。另一个是中央空调智能控制系统综合性项目，要求对多个房间的温度和湿度进行自动调节并监控管理，此案例除了制冷机组自动运行控制程序设计外，还包括风系统控制和水系统控制的程序设计。综合性教学案例具有真实的工程背景，来自于制冷工程实际中的项目，并且此工程案例具有开放性，可以添加其他控制功能，培养学生的创新能力，学生在完成基本控制要求之后，可以根据兴趣需要继续开展创新性的设计并进行后续学习。综合性案例丰富了学生的学习内容，拓宽了PLC的应用背景，使学生更加熟悉和了解制冷领域工程项目的设计过程。

四、总结与讨论

《PLC 编程与应用技术》课程教学正处于探索阶段，作为应用型高校的教师，我们的培养目标要满足经济社会发展对人才的需要，培养学生成为企业所需的人才，突出学生中心的原则。课程项目化要以学生为中心，以实际工程应用为背景，设计和选择与制冷领域自动控制紧密结合的教学项目和案例，由浅入深地将PLC 应用技术融合进制冷空调领域的其他专业知识中，建立整体的制冷空调专业知识体系。与制冷空调专业结合的项目教学既拓宽了学生的专业知识面，又培养了学生专业自动化技能，锻炼了学生分析和解决问题的能力，提高了学生制冷空调控制工程的实践能力，为培养制冷领域智能化人才奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1] 胡日刚.浅谈PLC控制在自动化冷库中的应用[J].制冷与空调， 2013， 13（06）： 16-18.

[2] 王章宽.PLC在中央空调节能改造中的应用[J].机电工程技术， 2017， 46（08）： 70-73.

[3] 赵洋，胡亚伟.工程案例教学法在“PLC原理及应用”的教学实践[J].实验技术与管理，2017，34（12）：222-225.

[4]林健.面向未来的新工科建设[M].北京：高等教育出版社，2021.

[5]王金锋，谢晶.项目式教学在《制冷空调自动化》课程中的应用探讨[J].教育教学论坛，2017（16）：199-200.

作者简介：张品（1981—  ），女，河南舞钢人，汉族，讲师，博士研究生，研究方向：主要从事大学生课程教学方面研究。