可编程控制系统装调维修课程知识图谱设计与研究

[摘 要] 《可编程控制系统装调维修》是电气自动化、机电一体化等相关专业的核心课程之一，具有很强的理论性与实践性，旨在培养学生对可编程控制器（PLC）的编程、调试、维护及应用能力，使学生掌握现代工业自动化控制领域的关键技术。在这门课程中引入知识图谱，能够让学生迅速掌握可编程控制相关的知识架构体系，能帮助学生构建完整的课程知识网络结构，有效的提高学生对该课程的学习效率。

[关键词]可编程控制系统装调维修；课程知识图谱

引 言

课程知识图谱是一种将课程中的知识内容以结构化的方式表示的图形工具，它以知识节点和关系边来描绘课程知识体系，具有知识构建、知识挖掘、知识推理，能完整的构建整个课程的知识脉络图，有效的表达出可成的知识体系结构。

《可编程控制系统装调维修》是一门面向自动化、机电一体化等相关专业的实践技能课程，旨在培养学生对可编程控制系统进行安装、调试和维修的专业能力，是理论与实践紧密结合的课程，对于提高学生在工业自动化领域的职业素养和技能水平具有关键作用。该课程的知识图谱设计旨在整合课程知识、优化教学资源和提高教学效果。通过对课程内容的分析、知识抽取、知识表示和知识融合等步骤，设计出一个涵盖课程核心知识领域的知识图谱，对于课程的教学具有较大帮助。

一、课程结构

《可编程控制系统装调维修》课程大致内容分为编程控制器（PLC）原理、软件编程与调试模块、故障诊断与维修模块、PLC实际项目仿真模块等几个部分。

二、PLC 硬件结构

可编程控制系统的硬件构成，包括 PLC 主机（CPU、存储器、I/O 接口等）、输入设备（各类传感器，如光电传感器、接近传感器、温度传感器等的工作原理和信号类型）、输出设备（如电机、电磁阀、气缸等执行器的控制方式和电气特性）、通信模块（不同通信协议和接口，如以太网、串口通信的原理和应用场景）、电源模块（电源类型、电压范围和供电稳定性要求）。不同型号的 PLC 在硬件配置上有所差异，如三菱 FX 系列和西门子 S7 系列 PLC 的 CPU 性能、I/O 点数范围和扩展能力各不相同。

传感器如光电传感器、接近传感器用于采集环境和设备状态信息，执行器如电机、电磁阀则根据 PLC 的指令执行动作。它们与 PLC 的 I/O 接口相连，其工作原理、选型依据和接线方式都是重要知识内容。

三、软件编程结构

常见的 PLC 编程语言有梯形图、指令表、功能块图等。梯形图以直观的图形方式表达逻辑关系，指令表则更接近机器语言。学生需要掌握这些语言的语法、编程规则和相互转换方法。编程软件采用三菱的 GX Developer，包括软件的安装、配置、程序编辑、编译、下载和在线监控等功能操作。

此部分讲述 PLC 编程软件的基本功能，如程序编辑、编译、下载、在线监控等操作。通过了解主要功能模块和编程环境设置，使学生熟悉如何在编程软件中进行编程和调试工作。常见的 PLC 编程语言有梯形图、指令表、功能块图等。梯形图以直观的图形方式表达逻辑关系，指令表则更接近机器语言。学生需要掌握这些语言的语法、编程规则和相互转换方法。具体对于PLC的指令系统知识图谱结构如图所示。

四、装调与维修模块

涉及 PLC 主机、扩展模块、电源模块的安装固定，以及传感器、执行器与 PLC 的正确接线，包括数字量和模拟量信号的布线，需要遵循电气安全和抗干扰原则。

故障可分为硬件故障（如元件损坏、接线松动）、软件故障（如程序逻辑错误、参数设置不当）和通信故障（如通信接口损坏、协议不匹配）。诊断方法包括直观检查、测量工具检测、程序分析和替换法等。针对不同类型的故障，采取相应的维修措施，如更换损坏的硬件元件、修改程序代码、重新配置通信参数等。

五、工业项目仿真模块

课程内容要求针对不同的工业应用场合，设计出不同的工业控制项目仿真。具体一个完整的PLC控制项目的核心导图如下图所示。

在课程的核心项目中，一共有10个项目为本课程的实训仿真内容，每个不同的项目需要根据实际的控制需求编写 PLC 程序，从最基础的逻辑指令运用，如常开、常闭触点的设置，到更复杂的定时器、计数器应用以及各种功能块的调用等。同时要根据项目的规模、控制对象特点等来挑选合适的 PLC 型号、输入输出模块、通信模块等硬件设备。了解不同品牌、不同系列 PLC 在性能、扩展性、兼容性等方面的差异，掌握如何构建一个稳定、高效且能满足项目需求的 PLC 控制系统硬件架构。然后对整个控制项目进行合理的模块划分，确定各部分的控制逻辑以及它们之间的关联，设计出清晰、可靠的自动化控制流程。最后在项目调试阶段，不断排查和解决不同故障，积累调试经验，学会运用 PLC 编程软件自带的监控功能查看各变量状态、分析信号流向，利用万用表等工具检测硬件电路，快速准确地定位并解决问题，提升系统维护能力。

针对PLC不同的应用场合，课程具体设计的10个不同场合的工业控制项目，项目内容涵盖了自动化生产线控制、过程工业控制、物流与仓储自动化、水处理领域、食品与饮料加工、建筑与设施自动化等工业控制领域各行各业的实际应用情况。具体10个项目内容如下：

（1）运料小车控制的PLC设计和调试

（2）机械滑台控制的PLC设计和调试

（3）机械手控制的PLC设计和调试

（4）混料罐控制的PLC设计和调试

（5）红绿灯控制的PLC设计和调试

（6）喷水池控制的PLC设计和调试

（7）传送带的动作控制的PLC设计和调试

（8）污水处理过程控制的PLC设计和调试

（9）计件控制的PLC设计和调试

（10）检瓶控制的PLC设计和调试

五、小结

通过这些工业实际项目的设计与调试，能让学生对PLC编程的熟练度、逻辑构建能力显著提高，能够更灵活、高效地实现复杂的控制功能。同时让学生能根据项目规模、控制点数、通信需求等因素选择合适的 PLC 型号、I/O 模块以及相关的扩展模块等，对 PLC 的硬件架构、工作原理及通信接口等知识有更透彻的理解，有效的提高自动化专业学生解决实际问题的能力。

可编程控制系统装调维修课程知识图谱的设计与研究为课程教学提供了一种有效的知识组织和呈现方式。通过对课程知识的深入分析、抽取、表示和融合，构建出的知识图谱能够帮助教师优化教学过程，促进学生自主学习和提高课程考核的科学性。在未来的研究中，可以进一步完善知识图谱，结合教育技术的发展，更好地服务于课程教学。

[参 考 文 献]

[1]任廷艳，工程认证背景下程序设计基础课程混合式教学中知识图谱的应用探析[J].电脑知识与技术，2024.10

[2] 陈德涛，融合思政的程序设计类课程知识图谱设计与研究[J]. 电脑与电信，2024.7

[作者简介] 吴雄杰（1979.11-），男，湖北汉川人，硕士，上海工程技术大学高等职业技术学院，讲师，研究方向：电气控制。