可編程序控制器的教學(xué)方法探析

可編程序控制器，programmable contro-ller，簡稱PC，為了和個人計算機PC相區(qū)別，通常簡稱為PLC，為可編程序邏輯控制器。但如今的PLC已不僅僅具有邏輯控制功能了。目前可編程序控制器正逐漸改變著工廠自動控制的面貌，取代傳統(tǒng)的繼電器控制。對于一名大專應(yīng)用電子專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)可編程控制器，掌握其應(yīng)用，對于他們今后的就業(yè)和生存是極其有利的。

一、學(xué)情分析

筆者本學(xué)期擔(dān)任的應(yīng)用電子專業(yè)類學(xué)生的《可編程序控制器》的教學(xué)工作，這個班的學(xué)生是五年制應(yīng)用電子專業(yè)（大專），今年是入學(xué)的第四年，在此之前學(xué)習(xí)的專業(yè)課程有：《電工基礎(chǔ)》、《應(yīng)用電路分析》、《模擬電路》、《數(shù)字電路》、《低壓電氣運行》、《電視機原理》等等，在這些課程當(dāng)中，對于《可編程序控制器》的學(xué)習(xí)有一定作用的是《數(shù)字電路》和《低壓電氣》這兩門課程，其中《數(shù)字電路》這門課程中的數(shù)字邏輯關(guān)系：與、或、非和PLC指令系統(tǒng)中的觸點串聯(lián)指令A(yù)ND、觸點并聯(lián)指令OR、取反指令I(lǐng)NV非常接近。此外《低壓電氣運行》這門課程中的電氣控制在PLC中運用也非常廣泛，例如：異步電動機單向運轉(zhuǎn)控制電路，用低壓電氣課程中的繼電器等可以實現(xiàn)，用PLC的程序控制同樣也可以實現(xiàn)，但是PLC的接線要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比低壓電氣的接線要簡單得多，同時可靠性也要高很多。

盡管有這兩門課程的基礎(chǔ)，但是對于一個大專四年級的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)PLC并不是一件簡單的事情，這從我上課的情況可以看出來。這是為什么呢？我簡單的分析了一下：

1.學(xué)習(xí)興趣：

從授課的情況來看，絕大部分的學(xué)生對于本課程的學(xué)習(xí)還是比較感興趣的。因為本課程的學(xué)習(xí)是需要理論與實踐相結(jié)合的，其中實踐就是在實驗室里，借助計算機編程通過PLC實驗箱來實現(xiàn)功能。對于一個電子大專生而言，在計算機上編程，然后程序傳輸?shù)絇LC實驗箱是一個比較“新奇”的事情，盡管計算機對于他們來說并不太陌生，但是電子專業(yè)課程在計算機上實現(xiàn)就不一樣了，因為在此之前，他們的專業(yè)課從來沒有在計算機上上過課，更別提借助于計算機實現(xiàn)控制功能了。另外，PLC的控制在我們的日常生活中均是可見的，只不過學(xué)生不知道罷了，所以筆者在授課的過程中，多舉這樣的例子，譬如說“搶答器”、“電梯”、“十字交通燈”、“全自動洗衣機”、“工業(yè)控制”等等，所以學(xué)生對于能夠親手設(shè)計出一個全自動洗衣機的程序還是相當(dāng)期待的，這樣也就不存在學(xué)習(xí)興趣的問題了。

2.學(xué)習(xí)目標(biāo)：

筆者的學(xué)生是大專四年級的學(xué)習(xí)，馬上就面臨著就業(yè)的挑戰(zhàn)。平時學(xué)校和專業(yè)科都注意對方面的引導(dǎo)和教育，所以他們也知道這門課程對于他們將來就業(yè)的作用。因為將來一旦能夠從事這方面的工作，那么基本上就可以脫離體力勞動，而且工資也將提升一個大的梯級。這些我都是通過學(xué)生的輔導(dǎo)員老師了解到的。

3.課程難度：

PLC的編程語言多種多樣，至今為止還沒有一種能適合各種PLC的通用編程語言，國際電工委員會（IEC）對當(dāng)代種類繁多的概念和語言進行了標(biāo)準(zhǔn)化（IEC61131-3），制定了工業(yè)控制器（包括PLC）的標(biāo)準(zhǔn)，對PLC定義了五種編程語言：

（1）梯形圖編程語言（Ladder Diagram，簡稱LD）；

（2）指令語句表編程語言（Instruction Li-st，簡稱IL）；

（3）功能塊圖編程語言（Function Block Diagram，簡稱FBD）；

（4）順序功能圖編程語言（Sequential Fun-ction Chart，簡稱SFC）；

（5）結(jié)構(gòu)化文本編程語言（Structured Text，簡稱ST），因為我們所教授的是三菱電機公司的PLC，所以推薦使用IL，LD這兩種語言。其中梯形圖編程語言（LD）類似于繼電器控制線路的梯形圖，與工程技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣很接近，在這些梯形圖中，主要由學(xué)生所熟悉的常開觸點、常閉觸點和線圈、定時、計數(shù)等符號組成，應(yīng)該不難接受。

從以上三個方面方析，學(xué)生對于這門課程的學(xué)習(xí)難度應(yīng)該不大，但在實際教學(xué)中，情況卻大不一樣，學(xué)生對于基本指令的理解還可以，一旦涉及到程序的理解以及編寫程序時卻是毫無頭緒，一個班四十個學(xué)生，只有3——4個人能夠完全理解，這對于教學(xué)的初衷是大相徑亭的，這是為什么呢？筆者再通過分析發(fā)現(xiàn)，目前PLC的工業(yè)控制已經(jīng)涉及到工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，不再僅僅局限于傳統(tǒng)開關(guān)量的邏輯控制，另外還包括模擬量控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理以及通信和聯(lián)網(wǎng)等等，可以實現(xiàn)的控制量越多，程序也就越復(fù)雜，學(xué)生也就越難理解。此外，學(xué)生對于計算機編程如C語言等毫無基礎(chǔ)，這樣對于編程的具體思路也就毫無頭緒。打個比方，一個從未吃過雞蛋，也沒有看到過別人是如何吃雞蛋的人，當(dāng)拿到一個雞蛋的時候，也不知道如何下口，其道理與目前這種狀況是一樣的。本來，學(xué)生三年級學(xué)習(xí)的《數(shù)字電路》這門課程，也可以通計算機來設(shè)計電路實現(xiàn)功能，但由于當(dāng)時學(xué)校條件的制約，未能實現(xiàn)，所以現(xiàn)在學(xué)起PLC來越加的困難。

二、“淺入深出”式教學(xué)方法

既然學(xué)生的具體情況如此，那么如何來組織PLC的教學(xué)呢？如果按照課本上的程序逐條的講解，發(fā)現(xiàn)效果仍不是很明顯，因為逐條的講解程序，最多只能做到讓學(xué)生讀懂程序，一旦脫離課本，自己編寫程序時還是不會，因此，在教學(xué)過程中，不僅要講解程序的功能，同時還要向?qū)W生灌輸編程的思路。一個復(fù)雜的控制程序，不可能在編寫的時候，能夠很順利的從頭編到尾，能夠?qū)崿F(xiàn)其所有的功能，必須一開始編寫主干程序，然后再根據(jù)程序所要實現(xiàn)的控制要求一點點的去豐滿。這種編寫程序的方式也是對于初學(xué)者而言，有經(jīng)驗的工程技術(shù)人員熟悉經(jīng)常需要用的各種程序，如異步電動機控制等，他們在編寫的時候，往往編寫速度更快，思路也更為清晰。而學(xué)生僅僅是一個初學(xué)者，不了解任何控制電路，所以他們只能從最簡單的程序開始。

舉個例子，筆者在教學(xué)過程中，講過一個交通信號燈控制電路。為了講解這個控制電路學(xué)生能夠理解，而且能夠自己編寫可是費了不少心思。當(dāng)然，在講解這個電路之前，學(xué)生對于PLC的各種內(nèi)部編程器件以及指令系統(tǒng)均有了大致的了解和掌握，同時對于簡單的控制電路也能夠讀懂，相比較而言，交通信號燈控制電路要復(fù)雜得多。

其具體控制工藝：南北、東西向十字路口，均設(shè)有紅、黃、綠三只信號燈。六只燈依時序循環(huán)往復(fù)工作?？刂平煌ㄐ盘枱舻腜LC選用FX2N-32MR，該系統(tǒng)有一個輸入裝置和六個輸出裝置。輸入裝置與輸出裝置與PLC的地址編號對應(yīng)如表1所示。

學(xué)生一開始拿到這個程序時，往往是無從下手，那么我們不妨將這個程序流程化：起動后，南北紅燈亮并維持30S，在南北紅燈亮的同時，東西綠燈也亮；到25S，東西綠燈閃亮，3S后熄滅，在東西綠燈熄滅后東西黃燈亮2S后（到此為一半），東西紅燈亮，同時南北紅燈滅，南北綠燈亮。南北綠燈亮了25S后閃亮，3S后熄滅，黃燈亮2S后熄滅，南北紅燈亮，東西綠燈亮，循環(huán)。更為簡單的說就是南北紅燈亮30S的過程中，東西綠燈亮25S，閃動3S，黃燈亮2S；東西紅燈亮30S的過程中，南北綠燈亮25S，閃動3S，黃燈亮2S。這樣分析下來，就要清晰得多了。但是在這個程序中還有一個學(xué)生認(rèn)為比較困難的是閃動3S，所以筆者在教學(xué)的時候，把這個程序拆分開來。一開始只要求學(xué)生實現(xiàn)簡單的流程即：南北紅燈亮30S過程中，東西綠燈亮28S，黃燈2S；東西紅燈30S過程中，南北綠燈28S，黃燈2S。一般學(xué)生對于這樣的流程還是能夠編寫出來的。

那么接下來，就是閃動3S了，閃動3S，就是在1秒種內(nèi)亮0.5S，滅0.5S，如此反復(fù)3次就可以實現(xiàn)閃動3S。這是通過一個振蕩器來實現(xiàn)的。具體電路如圖1所示。

在如上振蕩器中，是通過兩個定時器T1、T2以及一個計數(shù)器C0來實現(xiàn)振蕩的，X0為啟動開關(guān)，Y0為輸出。在1S時間內(nèi)，亮0.5S，滅0.5S，通過計數(shù)器實現(xiàn)3次閃動，正好是3S閃動。如果想實現(xiàn)亮0.6S，滅0.4S，只需更改兩個定時器的定時值就可以實現(xiàn)了。如果將此振蕩器用在交通燈電路中時，需注意的是：

（1）開機計數(shù)器復(fù)位；

（2）每一個循環(huán)周期結(jié)束（60S結(jié)束時），將計數(shù)器復(fù)位。如果不想如此的麻煩，可以通過三個定時器來實現(xiàn)3S的振蕩，兩個實現(xiàn)亮、滅，一個作為3S的定時，實現(xiàn)起來也很簡單，電路如圖2所示。

在以上兩上振蕩器中，所用的輸出X0均需是開關(guān)，而不能是按鈕，也就是在振蕩器工作過程中，X0需一直處于閉合狀態(tài)，如果要用按鈕，只要借助于輔助繼電器M加自鎖即可實現(xiàn)，這一點需向?qū)W生說明。

通過以上的分步講解，學(xué)生基本上已經(jīng)可以將最終程序編寫出來。

當(dāng)然，在實際教學(xué)過程中，學(xué)生遇到的問題是多種多樣的，而可編程序控制器的程序根據(jù)其應(yīng)用場合編程的思路也不盡相同，這“淺入深出”式的教學(xué)方法也不可能應(yīng)用于所有的可編程序控制器的教學(xué)中，因此，只有我們在教學(xué)過程中不斷的發(fā)現(xiàn)問題，不斷的改進教學(xué)方法，才能進一步的提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生學(xué)有所成。