知識(shí)映射在PLC首次課堂教學(xué)中的應(yīng)用

李翔

摘要：本文針對(duì)當(dāng)前PLC有關(guān)教材中的一些不足，進(jìn)一步明確了繼電器系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)中相關(guān)術(shù)語(yǔ)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定義了有關(guān)的邏輯意義，從而建立起兩者間的完全映射關(guān)系，提出了相關(guān)問(wèn)題的課堂教學(xué)思路與建議。遵循此新的思路與建議能讓初學(xué)者在PLC的首次課堂中就能理解好相關(guān)基本概念，并為繼續(xù)學(xué)習(xí)和實(shí)踐樹(shù)立信心打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PLC；繼電器；控制電路；邏輯運(yùn)算

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）04-0283-02

一、引言

PLC的中文全稱(chēng)為可編程序邏輯控制器。當(dāng)今隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種工業(yè)領(lǐng)域。為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)市場(chǎng)發(fā)展，滿(mǎn)足生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)具有極高的可靠性和靈活性的要求，以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置PLC順應(yīng)出現(xiàn)。PLC相關(guān)課程是高等院校電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)實(shí)踐性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。掌握好PLC的有關(guān)原理和操作，對(duì)于實(shí)踐開(kāi)發(fā)和進(jìn)一步學(xué)習(xí)具有重要意義。

根據(jù)最近的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，雖然PLC實(shí)踐性較強(qiáng)，但是學(xué)生對(duì)PLC本身的設(shè)計(jì)思想和基本概念把握不好仍然會(huì)心有凝慮，這會(huì)影響學(xué)生敢想敢做的心態(tài)，實(shí)踐效果并不很理想。這些思想和概念理論不是很深，但又有必要在所開(kāi)設(shè)課程的早期澄清，以使得后面的相關(guān)實(shí)踐過(guò)程順暢。PLC是講芯片及應(yīng)用的，然而從產(chǎn)生的角度來(lái)看又與單片機(jī)、DSP等課程有所區(qū)別。PLC追求的是集成和替代，有早期繼電器控制系統(tǒng)的影子在里面，因此對(duì)PLC原理的理解不能脫離早期的繼電器控制系統(tǒng)。

二、問(wèn)題陳述

PLC是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，而且梯形圖中的某些軟元件也沿用了繼電器這一名稱(chēng)，如輸入繼電器、輸出繼電器等。如圖1所示，繼電器結(jié)構(gòu)主要由電磁線圈、鐵心、觸點(diǎn)和復(fù)位彈簧組成。繼電器有兩種觸點(diǎn)，線圈斷電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的觸點(diǎn)稱(chēng)為常開(kāi)觸點(diǎn)，處于閉合狀態(tài)的觸點(diǎn)稱(chēng)為常閉觸點(diǎn)。線圈通電時(shí)，電磁鐵產(chǎn)生磁力，吸引銜鐵，使常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。線圈電流消失后，復(fù)位彈簧使銜鐵返回原來(lái)的位置，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)閉合。一個(gè)繼電器可能有若干對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)。在繼電器電路圖中，用同一個(gè)由字母、數(shù)字組成的名稱(chēng)（如KA2）來(lái)標(biāo)注同一個(gè)繼電器的線圈和觸點(diǎn)。

圖2是用交流接觸器控制異步電動(dòng)機(jī)的主電路、控制電路和有關(guān)的波形。接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理與繼電器基本相同，區(qū)別僅在于繼電器觸點(diǎn)的額定電流較小，而接觸器是用來(lái)控制大電流負(fù)載的。按下啟動(dòng)按鈕SB1，它的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電流經(jīng)過(guò)SB1的常開(kāi)觸點(diǎn)和停止按鈕SB2以及作過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器FR的常閉觸點(diǎn)，流過(guò)交流接觸器KM的線圈。接觸器的銜鐵被吸合，使主電路中的三對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。異步電動(dòng)機(jī)的三相電源被接通，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，控制電路中接觸器KM的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)同時(shí)接通。放開(kāi)啟動(dòng)按鈕后，SB1的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，電流經(jīng)KM的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)和SB2、FR的常閉觸點(diǎn)流過(guò)KM的線圈，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。KM的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的這種功能稱(chēng)為“自鎖”或“自保持”，它使繼電器電路具有類(lèi)似于RS觸發(fā)器的自鎖功能。

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)按停止按鈕SB2，它的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使KM的線圈失電，KM的主觸點(diǎn)斷開(kāi)，異步電動(dòng)機(jī)的三相電源被切斷，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)控制電路中的KM的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)；松開(kāi)停止按鈕SB2，其常閉觸點(diǎn)閉合后，KM的線圈仍然失電，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)保持停止運(yùn)行狀態(tài)。相關(guān)信號(hào)的波形在圖2中給出，圖中用高電平表示1狀態(tài)（線圈通電、按鈕被按下），用低電平表示0狀態(tài)（線圈斷電、按鈕被放開(kāi)）。顯然圖2中的控制電路具有記憶功能，在繼電器系統(tǒng)和PLC的梯形圖中被大量使用，它被稱(chēng)為“起動(dòng)—保持—停止”電路，或簡(jiǎn)稱(chēng)為“起保?！彪娐?。

某些物理量只有兩種相反的狀態(tài)，例如電平的高、低，接觸器線圈的通電和斷電等，他們被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)量。二進(jìn)制數(shù)的1位只能取0和1這兩個(gè)不同的值，可以用他們來(lái)表示開(kāi)關(guān)量的兩種狀態(tài)。梯形圖中的位軟元件（如輔助繼電器M和輸出繼電器Y）的線圈通電時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，以后稱(chēng)該軟元件為1狀態(tài)，或稱(chēng)該軟元件為ON。位軟元件的線圈和觸點(diǎn)的狀態(tài)與上述的相反時(shí)，稱(chēng)該軟元件為0狀態(tài)，或稱(chēng)該軟元件為OFF狀態(tài)。使用繼電器電路或PLC的梯形圖可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算。梯形圖中觸點(diǎn)的串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)“與”運(yùn)算，觸點(diǎn)的并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)“或”運(yùn)算，用常閉觸點(diǎn)控制線圈可以實(shí)現(xiàn)“非”運(yùn)算，如圖3所示。

三、教學(xué)思路與建議

遵循上述過(guò)程介紹物理繼電器、異步電機(jī)控制及梯形圖中的基本邏輯運(yùn)算，留給初學(xué)者的印象是PLC中的常開(kāi)、常閉及線圈與物理繼電器的相應(yīng)元件有對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而梯形圖中元件旁邊的標(biāo)號(hào)表示什么含義？不同的元件旁邊的標(biāo)號(hào)可以一樣，與繼電器對(duì)應(yīng)關(guān)系又如何并沒(méi)有明確說(shuō)明。如果有以上對(duì)應(yīng)關(guān)系，它們與其對(duì)應(yīng)表示元件的邏輯關(guān)系又如何呢？這涉及到理解PLC系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)的思想。因此，為方便從本質(zhì)上說(shuō)明PLC系統(tǒng)的有關(guān)編程元件與實(shí)際物理繼電器的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們定義如下邏輯關(guān)系：繼電器不工作或工作分別定義為邏輯0或1，觸點(diǎn)斷開(kāi)或接通分別定義為邏輯0或1，線圈失電或得電分別定義為邏輯0或1。于是我們?cè)敿?xì)給出了如下各元件名字的對(duì)應(yīng)關(guān)系和邏輯意義。

教學(xué)過(guò)程中在以上映射圖的基礎(chǔ)上應(yīng)按照如下幾個(gè)方面加以強(qiáng)調(diào)和講授。

1.用線圈或觸點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)描述軟元件（或軟繼電器）的狀態(tài)容易轉(zhuǎn)移學(xué)生的注意力，造成對(duì)PLC中軟元件本身含義不清。軟元件本身就有1狀態(tài)或0狀態(tài)，這與物理繼電器的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，利用存儲(chǔ)器中的一位邏輯變量來(lái)表示，這需要占用資源。如軟元件Y0，當(dāng)對(duì)應(yīng)的位變量Y0=1時(shí)，就說(shuō)此軟元件為1（ON）態(tài)；當(dāng)對(duì)應(yīng)的位變量Y0=0時(shí)，就說(shuō)此軟元件為0（ON）態(tài)。軟元件Y0處于1態(tài)時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，線圈得電；軟元件Y0處于0態(tài)時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)閉合，線圈失電。

2.梯形圖中的字母如Y0表示的是軟元件（或軟繼電器），它對(duì)應(yīng)PLC中存儲(chǔ)器中的一個(gè)邏輯變量。軟元件Y0的狀態(tài)為0時(shí)，表示其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)閉合，線圈失電；軟元件Y0的狀態(tài)為1時(shí)，表示其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，線圈得電。因此，常開(kāi)（常閉）觸點(diǎn)或線圈旁邊的符號(hào)Y0并不表示這個(gè)觸點(diǎn)或線圈本身，觸點(diǎn)和線圈本身的邏輯與其對(duì)應(yīng)的軟元件Y0的邏輯又有關(guān)系，應(yīng)明確的將這些觸點(diǎn)或線圈視為軟元件Y0的常開(kāi)（常閉）觸點(diǎn)或線圈。

3.梯形圖中同一個(gè)軟元件如Y0的常閉或常開(kāi)觸點(diǎn)及線圈可以使用任意多次，這些觸點(diǎn)和線圈本身涉及的狀態(tài)是通還是斷、是得電還是不得電，它們僅與存儲(chǔ)器中的邏輯變量Y0有關(guān)，Y0才是用到的PLC資源。

4.在圖2交流接觸器控制異步電動(dòng)機(jī)的控制電路中，觸點(diǎn)旁邊的標(biāo)記符號(hào)，如SB1應(yīng)理解為表示相應(yīng)物理繼電器，而SB1旁邊的觸點(diǎn)（或稱(chēng)為開(kāi)關(guān)更恰當(dāng)，以示與梯形圖中的觸點(diǎn)相區(qū)別）應(yīng)稱(chēng)為繼電器SB1的觸點(diǎn)。在這里，很多初學(xué)者會(huì)將這些標(biāo)記符號(hào)視為代表觸點(diǎn)（開(kāi)關(guān)）或線圈本身，這是不對(duì)的。

四、結(jié)論

知識(shí)映射是一種好的學(xué)習(xí)方法，在教學(xué)中加以靈活運(yùn)用也可以達(dá)到很好的教學(xué)效果。這就需要專(zhuān)任教師在教材教法上要多下功夫。通過(guò)以上教學(xué)思路和建議，學(xué)生通過(guò)第一堂PLC的學(xué)習(xí)，可以理解和掌握好PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想。有些概念可能學(xué)生通過(guò)第一堂課并不能深刻掌握和記憶，這需要在以后的教學(xué)中加以重復(fù)和提醒?？傊?jīng)驗(yàn)表明，通過(guò)以上思路的教學(xué)，學(xué)生能夠深刻理解PLC系統(tǒng)的本質(zhì)，這為以后的進(jìn)一步教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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