如何在教學(xué)中加強(qiáng)PLC的計(jì)算機(jī)屬性

陳正泉

摘 要 PLC作為自動化技術(shù)專業(yè)的核心課程，許多學(xué)生學(xué)習(xí)后對PLC的理解僅僅停留在開關(guān)量的邏輯控制層面上，形成PLC控制就是取代繼電器控制的片面認(rèn)識。本文通過對課程內(nèi)容編排、銜接、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)等幾方面的探討，力爭使學(xué)習(xí)者形成對PLC作為工業(yè)智能控制領(lǐng)域重要一員的全面認(rèn)識：PLC既可以取代原有的繼電器，實(shí)現(xiàn)邏輯控制，又具備計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理和通信功能，從而更好地學(xué)習(xí)和應(yīng)用PLC。

關(guān)鍵詞 PLC 自動化 繼電器控制 計(jì)算機(jī)

0 前言

目前，很多教材都將PLC與電氣控制組合在一起，學(xué)校的教學(xué)亦是把PLC與電氣控制合并來組織教學(xué)，這樣帶來的益處是學(xué)生在掌握繼電器控制的基礎(chǔ)上很容易理解PLC的開關(guān)量的邏輯控制功能，帶來的弊端是學(xué)生會形成PLC僅僅是取代繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制的思維定勢，而忽略了其作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的屬性。因此，如何在教材編著、教學(xué)內(nèi)容編排、課程銜接和教學(xué)過程呈現(xiàn)上，讓學(xué)生在起步階段就形成對PLC全面、正確的認(rèn)識，為最終了解和掌握PLC全部屬性與功能，從而建立起這樣的認(rèn)識：“PLC不僅僅是字面上的可編程邏輯控制器，而是實(shí)質(zhì)上的中小型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，自然具有計(jì)算機(jī)屬性”，是我們每個從事PLC教學(xué)的人需要思考的問題。

1 通過課程銜接和內(nèi)容編排明確PLC計(jì)算機(jī)屬性的教學(xué)

將電氣控制與PLC的教材單獨(dú)成冊，在安排PLC這門課的教學(xué)之前，必須先期安排電氣控制、電機(jī)與拖動、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)或者單片機(jī)的課程教學(xué)，這樣保證學(xué)生在學(xué)習(xí)PLC這門課之前具備電氣控制和計(jì)算機(jī)控制的相關(guān)知識。教學(xué)中，在講授PLC有關(guān)開關(guān)量的邏輯控制內(nèi)容時，融合電氣控制的相關(guān)內(nèi)容；在數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理部分融合計(jì)算機(jī)相關(guān)知識。這樣，一方面可以加深學(xué)生對電氣控制知識的進(jìn)一步升華和拓展，另一方面也加強(qiáng)了學(xué)生對PLC的計(jì)算機(jī)屬性的理解，有利于學(xué)生形成對PLC的全面認(rèn)識和深刻理解，為用好PLC奠定全面的知識結(jié)構(gòu)。

2 在自動化控制領(lǐng)域中剖析PLC的計(jì)算機(jī)屬性

把PLC放在自動化控制領(lǐng)域作為學(xué)習(xí)對象，既能加深學(xué)生對自動化控制系統(tǒng)的整體認(rèn)識，形成系統(tǒng)解決工控問題初步概念，又能幫助學(xué)生全面了解PLC在其中所處位置和承擔(dān)的角色，形成對PLC的全面認(rèn)識。

現(xiàn)代工業(yè)自動化主要由PLC、工控機(jī)、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成，為適應(yīng)工業(yè)4.0的發(fā)展要求，一方面，硬件著力于高速運(yùn)算、大容量、快速數(shù)據(jù)處理與傳輸以及更加開放、友好的界面；另一方面，控制軟件從底層的數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算發(fā)展到高層的人機(jī)圖形界面（HMI）。未來將基于分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)融合企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）和制造資源規(guī)劃（MRP），構(gòu)建一個全新的智能控制。在工業(yè)自動化系統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的典型構(gòu)造中，底層是設(shè)備、PLC的遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)和現(xiàn)場總線構(gòu)建的設(shè)備層；中間是PLC、工控機(jī)、操作員界面以及基于CAN技術(shù)而構(gòu)建的控制層網(wǎng)絡(luò)，上層是由基于Ethernet和PC或工作站構(gòu)建的信息管理與服務(wù)層。[2]可見，PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)均是現(xiàn)代工業(yè)控制最重要的數(shù)字控制裝置。早期的PLC的確是為順序控制而專門設(shè)計(jì)制造的，采用專門設(shè)計(jì)的硬件，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)對控制對象的自動控制；而工業(yè)控制計(jì)算機(jī)則是在普通計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，針對工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境要求，對計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，使其在保持計(jì)算機(jī)原有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的要求。與工控機(jī)相比，PLC具有高可靠性，強(qiáng)抗干擾能力，I/O 接口豐富，更加通用的模塊化設(shè)計(jì)，安裝簡單、維修方便，編程簡單易學(xué)等諸多優(yōu)勢，因此PLC比工控機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場的使用更為廣泛。起初PLC和工控機(jī)定位在不同的應(yīng)用層面，PLC的容量和運(yùn)算，特別是數(shù)據(jù)處理能力比工控機(jī)要差一些，而適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較好，因此，在中小型自動化項(xiàng)目上PLC的性價比和實(shí)用性更高，在大型項(xiàng)目上PLC常常作為工控機(jī)的下位機(jī)，但二者的發(fā)展已大大超過其當(dāng)初的技術(shù)水平，因此這種定位也不再絕對。隨著智能控制的發(fā)展，PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在保留自身特點(diǎn)的同時也在相互促進(jìn)與融合，角色的區(qū)分也越來越模糊，換言之，現(xiàn)在的PLC就是一個專門的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有計(jì)算機(jī)的普遍屬性。

3 通過PLC的工作原理解析其計(jì)算機(jī)屬性

在PLC教學(xué)中我們普遍存在重PLC的指令教學(xué)，而不太注重對PLC工作原理的講解，客觀上弱化了PLC計(jì)算機(jī)屬性的教學(xué)，現(xiàn)在看來在重視指令教學(xué)的同時加強(qiáng)PLC工作原理的剖析十分必要。

PLC的硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。其工作原理與普通計(jì)算機(jī)也相類似，只是工作方式不同。計(jì)算機(jī)采用的是“等待輸入”工作方式，即有相關(guān)輸入后，計(jì)算機(jī)才有相應(yīng)的響應(yīng)處理，否則一直處于等待狀態(tài)；換言之，只有發(fā)生鍵盤、鼠標(biāo)操作的輸入或者I/O中斷的觸發(fā)，計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)才會轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的程序處理，程序執(zhí)行完畢，又恢復(fù)到等待輸入的狀態(tài)。而PLC則采用的是“對I/O操作、數(shù)據(jù)處理等的循環(huán)掃描”工作方式，PLC按照用戶程序的存入順序，從第一條指令順序執(zhí)行，中間除非有中斷或跳轉(zhuǎn)命令才執(zhí)行中斷或跳轉(zhuǎn)處理，執(zhí)行中斷或跳轉(zhuǎn)完成后，又回到中斷或跳轉(zhuǎn)點(diǎn)繼續(xù)順序執(zhí)行剩余程序，直至讀到程序結(jié)束符后又返回到第一條指令，如此周而復(fù)始地不斷循環(huán)執(zhí)行程序。

4 加強(qiáng)類似計(jì)算機(jī)語言編程方式的教學(xué)，使學(xué)生直接感知PLC的計(jì)算機(jī)屬性

因?yàn)镻LC一開始就針對取代繼電器控制而誕生，其使用對象也往往是不具備計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識老一代電氣技術(shù)人員。而今作為未來電氣技術(shù)的從業(yè)者，應(yīng)該具備根據(jù)控制對象，及程序的執(zhí)行效率去選擇編程語言方式的能力，因此，不能局限于僅僅會使用梯形圖的編程方式，而且通過諸如指令表的編程方式的訓(xùn)練也能使學(xué)生增強(qiáng)對PLC本質(zhì)上是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)的認(rèn)識。

PLC的編程語言豐富，有梯形圖、指令表、順序功能圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、邏輯功能圖和高級語言等多種編程方式。梯形圖采用類似于電氣控制中的繼電器、接觸器等圖形符號，以傳統(tǒng)電氣控制電路的方式來表達(dá)，具有形象、簡單直觀、易學(xué)易懂等特點(diǎn)，無需計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，深受傳統(tǒng)電氣控制技術(shù)人員的喜歡。指令表與計(jì)算機(jī)匯編語言相類似，將控制流程用帶有助記符的操作指令組成語句來表達(dá)。順序功能圖采用IEC標(biāo)準(zhǔn)的SFC（Sequential Function Chart）語言方式，常用于編寫復(fù)雜的順控程序。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖與順序功能圖類似，對于復(fù)雜的順控系統(tǒng)，編程比狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖更簡約。邏輯功能圖采用類似于數(shù)字電路中的邏輯門和邏輯框圖來表達(dá)，通常一個運(yùn)算框圖表示一種功能，最常見的控制邏輯也是“與”、“或”、“非”。高級語言是近期才開發(fā)出來的，可像使用PC機(jī)一樣使用高級語言對PLC進(jìn)行編程操作。

5 按操作指令的屬性分類教學(xué)，增加計(jì)算機(jī)屬性類的指令教學(xué)

按照操作指令的屬性將其分為開關(guān)量的邏輯控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理、通信與網(wǎng)絡(luò)三個板塊，分類實(shí)施，使學(xué)生通過指令學(xué)習(xí)與操作，形成清晰、全面的認(rèn)識。開關(guān)量的邏輯控制側(cè)重于傳統(tǒng)的繼電器控制，而數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理、通信與網(wǎng)絡(luò)控制更能體現(xiàn)PLC作為計(jì)算機(jī)控制的一面。

5.1 開關(guān)量的邏輯控制

開關(guān)量的邏輯控制是PLC最基本的功能，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制，實(shí)現(xiàn)邏輯控制與順序控制。主要通過位邏輯指令、定時器和計(jì)數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)上述功能。廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的單機(jī)控制、多機(jī)群控制和生產(chǎn)線控制。實(shí)訓(xùn)中常采用的教學(xué)項(xiàng)目如多級皮帶輸送機(jī)、多液體混合攪拌控制，正是采用開關(guān)量的邏輯控制功能實(shí)現(xiàn)的。

5.2 數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理

現(xiàn)代PLC和計(jì)算機(jī)一樣具有：數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、比較、移位、排序、查表以及數(shù)學(xué)運(yùn)算等數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能；中斷、跳轉(zhuǎn)、循環(huán)、調(diào)用子程序等程序控制功能；數(shù)據(jù)塊和字符串處理功能；高速計(jì)數(shù)和脈沖輸出功能。這些指令完全展現(xiàn)了PLC作為計(jì)算機(jī)的一面，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制：如伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制；也廣泛應(yīng)用于過程控制：對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制包括PID調(diào)節(jié)等等，實(shí)際教學(xué)中常采用項(xiàng)目如數(shù)控雕刻機(jī)工作臺，變頻恒壓供水來加強(qiáng)這方面的實(shí)踐教學(xué)。

5.3 通信與聯(lián)網(wǎng)

PLC通信包括PLC相互之間的通信，以及PLC與其它智能設(shè)備之間的通信，通信方式以現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)為主。雖然各PLC制造廠商在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的協(xié)調(diào)和指導(dǎo)下，均開發(fā)了開放和兼容其他廠商的網(wǎng)絡(luò)接口，但不同品牌PLC的通信指令有其自身特點(diǎn)，目前的教學(xué)以西門子和三菱為主。

6 結(jié)論

通過教材編著、教學(xué)內(nèi)容編排、課程銜接、教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)，在原有單純繼電器控制教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對PLC的計(jì)算機(jī)屬性教學(xué)，幫助學(xué)生掌握PLC全部屬性與功能，形成全面正確的認(rèn)識。當(dāng)然，在教學(xué)中加PLC的計(jì)算機(jī)屬性絕不是厚此薄彼，并非PLC的開關(guān)量的邏輯控制教學(xué)不重要，只是針對學(xué)習(xí)者的反饋?zhàn)瞿撤N程度的糾偏而已，給學(xué)習(xí)者一個全面正確的認(rèn)識，從而不斷完善我們的教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

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