以概念為契機(jī)探討《可編程控制器及其應(yīng)用》課程教學(xué)

王鳳華

摘要：可編程序控制器作為一種現(xiàn)代信息技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的產(chǎn)物，為適應(yīng)工業(yè)發(fā)展和學(xué)生職業(yè)需求，因其具有高可靠性、操作方便、實(shí)用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為職業(yè)學(xué)校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)不可缺少的具有代表性的理論實(shí)踐一體化教學(xué)科目。本文將以 PLC概念為契機(jī)，著重以理論基礎(chǔ)知識(shí)為主線，在對(duì)教材知識(shí)安排的全局性、整體性、直觀性、邏輯性、結(jié)構(gòu)性等多個(gè)方面的分析和教學(xué)實(shí)踐組合考慮的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從基礎(chǔ)知識(shí)的理論性、相關(guān)性、應(yīng)用性、技能性等方面，對(duì)學(xué)生必須了解和掌握的重點(diǎn)內(nèi)容、主要分析步驟和具體教學(xué)方法簡(jiǎn)單總結(jié)闡述，旨在體現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)的職業(yè)需求和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：可編程控制;計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) ;自動(dòng)控制;結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0156-02

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，職業(yè)教育改革和發(fā)展得到了高速有效地推動(dòng)，為了更好地適應(yīng)中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電工類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)要求及崗位和教學(xué)實(shí)踐的需求變化，根據(jù)就業(yè)崗位對(duì)技能型人才所具備的能力要求，體現(xiàn)“做中學(xué)”“學(xué)中做”的教學(xué)理念，人力資源和社會(huì)保障部在確定學(xué)生應(yīng)該具備的能力與知識(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使得《可編程控制及其應(yīng)用》（PLC）課程成為中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電工類(lèi)專(zhuān)業(yè)必不可少的具有代表性的理論實(shí)踐一體化教學(xué)科目之一。因?yàn)榫涂删幊炭刂破?（PLC）本身而言，它是在繼電-接觸器控制和計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)自動(dòng)控制裝置，是計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的具體應(yīng)用，它所具有的高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、直觀編程、較好的適應(yīng)性、較強(qiáng)的接口功能等特點(diǎn)，更適合中職學(xué)校學(xué)生的能力和就業(yè)要求;加之，現(xiàn)代信息技術(shù)中的多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)平臺(tái)等若能較好地應(yīng)用于可編程序控制技術(shù)課程教學(xué)，便可以大大增加教學(xué)的趣味性和信息量，增強(qiáng)教與學(xué)的交互性、自主性、開(kāi)放性、安全性、仿真性和互動(dòng)性等，可以使得職業(yè)教育的教與學(xué)理念進(jìn)一步得到提升與體現(xiàn)。因此，可編程控制也在更廣泛的行業(yè)得以發(fā)展，也被越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域所青睞，同時(shí)也被推崇為現(xiàn)代職業(yè)教育電類(lèi)課程教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分。因此，下面我將從實(shí)際教學(xué)出發(fā)，以PLC概念為契機(jī)以正常的教學(xué)內(nèi)容安排為基礎(chǔ)，略談一下自己對(duì)于《可編程控制及其應(yīng)用》這門(mén)課的教學(xué)觀點(diǎn)和思考方法。

1 以理論基礎(chǔ)知識(shí)為教學(xué)主線，著重把握課程內(nèi)容的整體性與全局性

可編程控制器是隨著科學(xué)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)硬件飛速發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)物，是一種為適應(yīng)工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制裝置，實(shí)屬計(jì)算機(jī)。從整體概念考慮主要總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

（1） 可編程控制器它是以微處理器（CPU）為基礎(chǔ)——突出硬件的重要組成部分，實(shí)質(zhì)為計(jì)算機(jī)的核心組成部分（包括運(yùn)算器、控制器……）;

（2） 綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)（3C技術(shù)）——突出涉及的三大主要科學(xué)領(lǐng)域;

（3） 用面向控制過(guò)程、面向用戶的“自然語(yǔ)言”即梯形圖（LAD）、指令語(yǔ)句表和順序流程控制圖（SFC）編程——指出控制過(guò)程的主要實(shí)現(xiàn)方法。

主要應(yīng)用和特點(diǎn)：

可編程控制器被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域，與數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)并存，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一，是一種可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝置。

（1） 主要應(yīng)用有：①開(kāi)關(guān)量邏輯控制;②模擬量控制;③運(yùn)動(dòng)控制;④數(shù)據(jù)處理;⑤通信及聯(lián)網(wǎng)。

（2） 主要特點(diǎn)有：①軟件簡(jiǎn)單易學(xué)、編程簡(jiǎn)單、操作方便;②使用和維護(hù)方便，具體包括：A.硬件配置方便，有豐富的I/O接口;B.安裝方便;C.使用方便;D.維護(hù)方便;③運(yùn)行穩(wěn)定可靠、使用靈活;④設(shè)計(jì)周期短等。

2 以原有的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析知識(shí)之間的相關(guān)性、統(tǒng)一性，并能注重把握、區(qū)分新特性

具體而言，可以結(jié)合學(xué)生原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)——以計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)和繼電器控制原理為理論知識(shí)基礎(chǔ)，在課程未進(jìn)行之前，先對(duì)課程的總體結(jié)構(gòu)安排做到心中有數(shù)，再在課程進(jìn)行期間對(duì)細(xì)節(jié)方面進(jìn)一步擴(kuò)展，牢牢把握課程安排主線，利用專(zhuān)業(yè)理論認(rèn)真分析，切實(shí)注意知識(shí)領(lǐng)域之間的相關(guān)性，在理論講解方面注意聯(lián)系計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)理論，沿用計(jì)算機(jī)應(yīng)用理論基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和分析方法，認(rèn)清講解思路，注意應(yīng)用流程，把握講解主線，突出重點(diǎn)難點(diǎn)，再以可編程控制器的基本概念為契機(jī)，從其產(chǎn)生背景、發(fā)展階段、具有的特點(diǎn)特性入手，然后結(jié)合它們的軟硬件系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)，密切聯(lián)系基本應(yīng)用實(shí)際，按照從整體到部分、從全局到細(xì)節(jié)、逐步擴(kuò)充、逐層細(xì)化，使兩者有機(jī)結(jié)合，相互對(duì)比、相互區(qū)分、求同存異、注重相似點(diǎn)、相關(guān)點(diǎn)，搞清實(shí)質(zhì)、注意甄別、把握關(guān)鍵。如可編程控制器的定義就是主要圍繞計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成這條主線，詳細(xì)通過(guò)計(jì)算機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)——硬件的五大主要組成部分（運(yùn)算器+控制器+存儲(chǔ)器內(nèi)存+輸入部件+輸出部件），再結(jié)合軟件系統(tǒng)組成（主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件）和設(shè)計(jì)，使軟硬件系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，突出各自的基本功能的，且旨在體現(xiàn)了以下幾個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)：

（1） 突出實(shí)質(zhì)——以CPU（運(yùn)算器+控制器+內(nèi)存）為基礎(chǔ)，是數(shù)字計(jì)算機(jī)操作的電子系統(tǒng)，實(shí)際為計(jì)算機(jī);

（2） 采用存儲(chǔ)程序控制方式，控制功能通過(guò)存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn);

（3） 數(shù)字量或模擬量輸入/輸出控制，輸入/輸出電平可與外部裝置直接相連，易于控制系統(tǒng)聯(lián)成一體，體積小、重量輕、功耗低;

（4） 使用面向用戶指令——編程方便，用程序代替硬件連線，通用性強(qiáng)，控制程序可變，編程簡(jiǎn)單，使用方便，容易掌握，功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣，減少了設(shè)計(jì)及施工的工作量，控制功能修改只需要改變軟件指令——即硬件控制的軟件化;

（5） 突出功能特點(diǎn)：條件控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)以及對(duì)控制系統(tǒng)的監(jiān)控;

（6） 用計(jì)算機(jī)代替繼電控制盤(pán)，維護(hù)方便，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)……

3 注重基礎(chǔ)與關(guān)鍵知識(shí)的直觀性、順序性、邏輯性，并能夠使用清晰的分析思路、便捷的處理過(guò)程，突出重點(diǎn)、把握關(guān)鍵問(wèn)題和疑難問(wèn)題的主要解決方案

為突出要點(diǎn)、解決疑難，采用直觀教學(xué)方式，教學(xué)過(guò)程中采取實(shí)物演示與模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)比操作突出客觀事物控制過(guò)程中實(shí)物的存在感、使用戶與學(xué)習(xí)內(nèi)容的交互性、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程的自主性、應(yīng)用軟件的仿真性、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的開(kāi)放性、具體項(xiàng)目實(shí)施的針對(duì)性和安全性等方面都得到具體體現(xiàn)。

1） 從具體實(shí)物的直觀性原則出發(fā)，通過(guò)具體實(shí)例觀察理解PLC的外部特征，并能按照從整體到部分，從全局到局部、從概貌到細(xì)節(jié)，全面把握可編程控制器的硬件外觀的各個(gè)組成部分和功能。

即大體上從外觀上看主要組成包括以下五個(gè)主要部分：①接線端子：輸入/輸出端子（X/Y）、電源端子（直流AC/交流三相L、N、PE）、公共接口端子（COM）;②輸入/輸出狀態(tài)指示（IN/OUT）;③運(yùn)行狀態(tài)指示（POWER、RUN/STOP、ERROR）;④外轉(zhuǎn)設(shè)備接線插座（RS-422或端子排等）;⑤擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊、特殊功能模塊接線插座等）。

2） 從外觀和結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合具體的控制問(wèn)題，以簡(jiǎn)單控制過(guò)程為例，按照從簡(jiǎn)到繁、由易到難逐步擴(kuò)充的方法，詳細(xì)分析具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的各個(gè)部分，把握關(guān)鍵過(guò)程、方法和主要執(zhí)行步驟，注意送電/停電的順序和安全操作規(guī)程，在保證安全的前提下，具體實(shí)踐可按以下幾方面進(jìn)行：

（1） 硬件安裝。主要包括：A.列I/O地址分配表;B.連接原理圖;C.設(shè)計(jì)程序。

（2） 系統(tǒng)調(diào)試。主要包括：A.具體軟件環(huán)境下，控制程序的編寫(xiě)使用：Ⅰ.創(chuàng)建工程運(yùn)行軟件;Ⅱ.新建程序文件;Ⅲ.編寫(xiě)控制程序;Ⅳ.程序轉(zhuǎn)換;Ⅴ.程序下載;B.編程、傳輸程序測(cè)試（檢查）;C.PLC外部硬件接線：主要包括①電源+24v、COM;②I/O接線;D.“運(yùn)行RUN”程序/“監(jiān)視”程序……

3） 從軟件設(shè)計(jì)的邏輯性、順序性、層次性和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)（任何復(fù)雜的算法，都可以由順序結(jié)構(gòu)、選擇（分支）結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)三種基本結(jié)構(gòu)組成）思想的關(guān)鍵點(diǎn)出發(fā)，突出理論基礎(chǔ)，把握PLC主要編程語(yǔ)言，最常用的是梯形圖和指令語(yǔ)句表。具體而言：

（1） 梯形圖? 主要包括以下幾點(diǎn)：①梯形圖的由來(lái)以及與控制電路之間的關(guān)系：梯形圖是從繼電器控制電路圖轉(zhuǎn)化而來(lái)的，形式上與繼電器控制電路很相似，讀圖方法和習(xí)慣也相同;②梯形圖的定義：梯形圖是用圖形符號(hào)將繼電控制電路圖中的相互關(guān)系用表示控制邏輯的圖形符號(hào)表示出來(lái)的編程語(yǔ)言，梯形圖是通過(guò)連線，將許多功能強(qiáng)大的PLC指令的圖形符號(hào)連在一起，以表達(dá)所調(diào)用的PLC指令及其前后順序關(guān)系的，也是目前最常用的一種可編程控制器程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言;③梯形圖的組成、一般分析方法和原則：在所有梯形圖中都有左母線、右母線和邏輯行，邏輯行由各種等效繼電器的觸點(diǎn)串并聯(lián)后和線圈組成。畫(huà)梯形圖時(shí)必須遵守：梯形圖應(yīng)該按照從左到右、從上到下的順序畫(huà);④梯形圖邏輯行中元素組成規(guī)則：左母線只能直接連接各類(lèi)繼電器的觸點(diǎn)，右母線也只能連接各類(lèi)繼電器的線圈。

（2） 指令語(yǔ)句表? 指令語(yǔ)句表類(lèi)似于計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言的形式，用指令的助記符進(jìn)行編程，指令助記符直觀易懂，編程簡(jiǎn)單，通常把每個(gè)控制功能由一個(gè)或多個(gè)語(yǔ)句組成的程序來(lái)表示，面條語(yǔ)句規(guī)定可編程控制器中CPU如何工作，一般指令由助記符（為每一條指令的符號(hào)，指明操作功能）和操作元件（指操作對(duì)象）組成……

4） 要注重3C系統(tǒng)組成中，在具體問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)，不同的控制過(guò)程中各個(gè)組成部分的相關(guān)性和統(tǒng)一性。

在問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)硬件接口組成部分和元器件、軟元件等它們之間存在一一對(duì)應(yīng)的相互映像關(guān)系。具體體現(xiàn)在：①控制電路部分的輸入元件（各種開(kāi)關(guān)）/輸出元件（各類(lèi)繼電器線圈）與PLC輸入/輸出接口之間;②可編程控制器兩種主要的編程語(yǔ)言梯形圖和指令語(yǔ)句表之間;③控制電路部分的輸入元件/輸出元件與梯形圖和指令語(yǔ)句表中各個(gè)符號(hào)以及軟元件之間均存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系……

總之，不管教學(xué)過(guò)程中使用什么樣的方法和手段，教學(xué)內(nèi)容如何變化，一般情況下對(duì)于可編程控制及其應(yīng)用教學(xué)，大體可以PLC的基本概念為契機(jī)，突出一個(gè)中心（以CPU為中心）、兩種基本程序設(shè)計(jì)方法（梯形圖和指令語(yǔ)句表）、三大領(lǐng)域（計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)）和三種基本的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（順序、選擇和循環(huán)）、五個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域（邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、通信和聯(lián)網(wǎng)）為主要內(nèi)容，按照以下幾個(gè)主要的基本操作步驟：①根據(jù)控制要求，確定分析控制程序的操作步驟和要求;②確定分配PLC輸入和輸出點(diǎn)，畫(huà)PLC接線圖，列輸入/輸出接點(diǎn)分配表;③硬件連線;④設(shè)計(jì)程序與系統(tǒng)調(diào)試;安全檢查，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果……以具體實(shí)例為教學(xué)實(shí)體內(nèi)容進(jìn)行，加以具體的處理問(wèn)題的方法和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，使現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的方向性和高效性得以體現(xiàn)。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】