在高職電工技術(shù)課程ＰＬＣ教學(xué)中需要注意的幾個問題

鞏　云

高等職業(yè)技術(shù)教育的電氣控制技術(shù)類和機電技術(shù)類專業(yè)，在開設(shè)電工技術(shù)課程時，均涉及PLC(可編程序控制器)技術(shù)的課程教學(xué)。PLC控制技術(shù)是現(xiàn)代電氣控制技術(shù)發(fā)展的方向，它從最初的取代繼電器控制方式，用作可編程邏輯控制器件，發(fā)展到目前利用半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)和支持現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的大中型控制系統(tǒng)。全面了解PLC控制技術(shù)的概況，分層次地展開PLC技術(shù)教學(xué)很重要，強調(diào)技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)更是必要的。筆者在從事PLC技術(shù)教學(xué)的過程中，發(fā)現(xiàn)以下幾個問題常被忽視，通過實踐研究，提出以下觀點供同行教學(xué)參考。

一、目前PLC在我國市場上的應(yīng)用與學(xué)校確定專業(yè)教學(xué)目標的關(guān)系

強調(diào)教學(xué)培養(yǎng)對象的就業(yè)目標是職業(yè)學(xué)校在專業(yè)設(shè)置時的重要依據(jù)，訂單式教學(xué)模式已被廣泛采用，密切關(guān)注PLC技術(shù)市場的變化和發(fā)展，不斷改進教學(xué)內(nèi)容是有意義的。

1、PLC按照其控制規(guī)模大小或者1/0點數(shù)分，有小、中、大三種機型

總點數(shù)小型機在256點以下；中型機在256～1024點之間；大型機在1024點以上。盡管PLC的性能和運用范圍有了大幅度的擴展，但是小型PLC仍然是市場的主流，從數(shù)量上占有總數(shù)的90％以上。因此，PLC教學(xué)應(yīng)該以小型PLC為主。

2、從特點上看，小型機價格低、體積小，適用于控制自動化單機設(shè)備

開發(fā)機電一體化產(chǎn)品；中型機功能強、配置靈活，適用于具有諸如溫度、壓力、速度、流量、位置、角度等模擬量控制和大量開關(guān)量控制的復(fù)雜機械以及連續(xù)生產(chǎn)過程控制場合；大型機1/0點很多、控制規(guī)模非常強大，組網(wǎng)能力強，可用于大規(guī)模的過程控制，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)或者整個工廠的集散控制系統(tǒng)。對教學(xué)機型的合理選擇，就是對教學(xué)培養(yǎng)目標的定位。

3、不同產(chǎn)品的市場定位和性能的不同

從系統(tǒng)集成與單機自動化設(shè)備應(yīng)用上看，不同供應(yīng)商及其品牌的市場策略、系統(tǒng)集成能力，不同產(chǎn)品的市場定位和性能的不同，在各類設(shè)備制造業(yè)中的應(yīng)用表現(xiàn)也有不同(見表1)。

從表1中可以看出不同行業(yè)在選擇PLC機型及其品牌時，有所不同，這也就要求我們在不同專業(yè)針對不同的培養(yǎng)目標，及其就業(yè)行業(yè)取向不同，需要選擇適合的機型和品牌作為教學(xué)內(nèi)容。

4、從PLC的發(fā)展動態(tài)看市場變化，在教學(xué)中不斷引入新的教學(xué)內(nèi)容

(1)本土化生產(chǎn)降低成本從而降低產(chǎn)品價格。

(2)集成運動控制，成為集成控制平臺。

(3)引入嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。

(4)從混合控制需求的DCS(Distributed ControlSystem分散／分布控制系統(tǒng)：設(shè)計思想為分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便)現(xiàn)場控制器，進入獨立產(chǎn)品市場。

(5)典型的FA(順序控制、傳動控制、運動控制)全線產(chǎn)品及集成方案提供。

二、以傳統(tǒng)PLC控制和現(xiàn)代PLC控制的區(qū)別來確定不同專業(yè)教學(xué)目標的層次

傳統(tǒng)PLC是指按照處理邏輯運算和順序控制要求的要求設(shè)計、采用按照經(jīng)典掃描方式運行的專用硬實時操作系統(tǒng)、具有確定性控制特征、以處理開關(guān)量1/0為主模擬量1/0為輔的程序可編的控制器。現(xiàn)代PLC是指PLC+PC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，PLC通過串口或者以太網(wǎng)口與PC機通信，由PLC進行控制，PC則聯(lián)網(wǎng)、作流程顯示、數(shù)據(jù)和文字處理、實時數(shù)據(jù)庫等功能。有關(guān)資料顯示：80％的PLC應(yīng)用采用20幾個梯形圖指令就可以解決問題(80-20法則)，剩余20％的控制要求傳統(tǒng)PLC不可以滿足。根據(jù)這一規(guī)律設(shè)計學(xué)校不同的專業(yè)教學(xué)內(nèi)容，可以將其分為以傳統(tǒng)PLC技術(shù)內(nèi)容教學(xué)為主和現(xiàn)代PLC技術(shù)內(nèi)容教學(xué)的低、高兩個層次，以滿足不同的教學(xué)培養(yǎng)目標要求。具體教學(xué)需要注意以下兩個方面。

1、硬件方面

傳統(tǒng)PLC只有一塊CPU、存儲容量≤幾十K字、1/0多為開關(guān)量、運算速度在幾十到幾百ms之間、采用傳統(tǒng)的低速系統(tǒng)總線；現(xiàn)代PLC有可以執(zhí)行不同功能的多塊CPU、存儲容量較大(可以根據(jù)不同的需要配置)、1/0可以有高低速開關(guān)量和不同的模擬量、運算速度可達0.2ms、采用高速背板總線。

2、軟件方面

傳統(tǒng)PLC采用經(jīng)典掃描方式的軟件模型、編程語言簡單(梯形圖LD、指令表IL、功能塊圖FBD)、專用時間驅(qū)動掃描方式的操作系統(tǒng)；現(xiàn)代PLC采用符合IEC61131-3軟件模型、編程語言較復(fù)雜(文本類語言：IL、ST；圖形類語言：LD、FBD、SFC)、專用時間驅(qū)動和事件驅(qū)動掃描方式的操作系統(tǒng)(可以按照程序功能設(shè)置不同的掃描時間)。

由此可以看出，除了硬件配置上的區(qū)別之外，最本質(zhì)的區(qū)別在于軟件模型的不同。因此，以軟件模型的區(qū)別配置硬件，可以滿足分層次教學(xué)目標的要求。

三、PLC實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境條件建設(shè)中需要注意的問題

完成PLC技術(shù)課程教學(xué)最適合的辦法是采用一體化教學(xué)。一體化教學(xué)教室的PLC技術(shù)訓(xùn)練區(qū)需要安裝模擬工作現(xiàn)場的實訓(xùn)裝置，有些學(xué)校是外購的PLC實訓(xùn)，實驗教學(xué)產(chǎn)品，也有些學(xué)校是根據(jù)自己需要自制的PLC綜合實訓(xùn)／實驗裝置。無論如何都需要注意下面幾點。

1、講評區(qū)域和實訓(xùn)區(qū)域之間，人員與設(shè)備安全的硬件隔離與軟件隔離措施必須齊全

一體化教學(xué)環(huán)境內(nèi)的區(qū)域劃分是為了保證教學(xué)的效果、保障人員安全與教學(xué)秩序及其設(shè)備的安全運行，所以，明確劃分區(qū)域界限和制定教學(xué)規(guī)程是十分必要的。

2、PLC技術(shù)實訓(xùn)裝置運行的基本工作條件要求

(1)環(huán)境溫度：0℃～50℃，且遠離發(fā)熱源、四周通風的空間足夠大；

(2)空氣與濕度空氣相對濕度≤85％(無凝露)、避開粉塵、有腐蝕和易然的氣體，不要采用封閉型措施：

《3)震動：遠離強烈的振動源，防止頻率為10至55Hz的頻繁或連續(xù)振動，如果震動不可避免，必須采取減震措施：

(4)電源：一般PLC都有直流24V輸出提供給輸入端，當輸入端使用外接穩(wěn)壓電源時，應(yīng)該選用紋波較小的直流穩(wěn)壓電源，而不要選擇普通的整流濾波電源，必要時，在電源的引入端安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。

四、PLC技術(shù)課程教學(xué)過程中，實訓(xùn)系統(tǒng)的抗干擾問題

PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到其教學(xué)的效果，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。PLC實訓(xùn)裝置一般集中安裝在控制室，也有的是安裝在模擬的生產(chǎn)現(xiàn)場和各電機設(shè)備上，它們大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家用提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面，要求一體化教室設(shè)計、安裝施工和使用維護中

引起重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能，必須注意以下幾個方面。

1、按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾

共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向)電壓達加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞(這就是一些系統(tǒng)1/0模件損壞率較高的主要原因)，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這種讓直接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。

2、PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源

(1)來自空間的輻射干擾?？臻g的輻射電磁場(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復(fù)雜。若PLC系統(tǒng)置于射頻場內(nèi)，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾：二是對PLC通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小，特別是頻率有關(guān)，一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

(2)來自系統(tǒng)外引線的干擾。主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。這種干擾也許在實訓(xùn)室表現(xiàn)不是太明顯，但是在工業(yè)現(xiàn)場卻是較嚴重。

(3)來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于PLC制造廠對系統(tǒng)內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容，比較復(fù)雜，作為應(yīng)用部門是無法改變，可不必過多考慮，但是，選擇時要考慮那些具有較多應(yīng)用實績或者經(jīng)過考驗的系統(tǒng)為宜。

(4)來自變頻器的干擾。一是變頻器啟動及運行過程中產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量：再就是變頻器的輸出會產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊的設(shè)備而不能正常工作。

3、主要的抗干擾措施

(1)PLC電源做抑制干擾引入的處理。例如：安裝有屏蔽層的隔離變壓器或者電源濾波器等。

(2)分別安裝布線，即動力線、控制線、電源線和1/0端口接線分別配置。

(3)PLC遠離強干擾源，必要時對PLC做屏蔽處理或者對干擾源做消弧處理。

(4)PLC的輸入與輸出、開關(guān)量與模擬量、交流輸出線與直流輸出線，也都需要做隔離或者屏蔽等處理。

(5)PLC控制系統(tǒng)要完善，接地點選擇要正確。強調(diào)安全地或者電源接地、系統(tǒng)接地和信號與屏蔽接地。

(6)在PLC與變頻器聯(lián)機實訓(xùn)時，應(yīng)該使用隔離變壓器、濾波器和輸出電抗器抑制變頻器干擾。

(作者單位：河南新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)