電路狀態(tài)展示教具制作

楊常秀

（廣西賀州高級(jí)技工學(xué)校，廣西賀州 542899）

1 教具成品制作

如圖1所示，此教具是一個(gè)完整的電路，包括電源（空氣開關(guān)）、導(dǎo)線（LED 燈帶模擬代替）、控制開關(guān)（家用常見按鍵開關(guān)）、負(fù)載（LED 燈）四個(gè)部分構(gòu)成。在面板上的實(shí)物分別是空氣開關(guān)QF，燈帶一共3節(jié)，普通家用開關(guān)，E27螺口燈座及LED 燈泡，還有一張對(duì)應(yīng)的電路原理圖。

圖1 電路工作狀態(tài)展示教具的實(shí)物圖

利用一塊制作廣告的泡沫白板，分別將型號(hào)為DZ47LE 的2P 漏電空氣開關(guān)置于面板上的開孔處，三段220 V 的LED 燈帶粘貼在面板上，家用開關(guān)、螺口E27燈座用雙面膠粘貼于面板上，并在燈座上擰上220 V 的LED 燈HL。電源線、三段燈帶、控制開關(guān)、燈座的線通過在面板上開孔后，接到面板后面的型號(hào)為三菱PLC2N-48MR 的PLC 的相應(yīng)輸入輸出端口。燈帶完整電路的工作狀態(tài)包括：開路、通路、接觸不良、短路四個(gè)狀態(tài)。

其中只有開路、通路是正常狀態(tài)，接觸不良、短路都是不正常狀態(tài)，要避免出現(xiàn)。尤其是短路狀態(tài)，在現(xiàn)實(shí)中危害是比較大的，通過展示教具可以達(dá)到突出強(qiáng)調(diào)的作用。本教具具有將電路狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示的效果。讓學(xué)生通過觀看并由老師解釋后能輕松掌握電路的基本組成、四種工作狀態(tài)及其特點(diǎn)，達(dá)到教具應(yīng)該具備的促進(jìn)教學(xué)開展的效果。并且該電路工作狀態(tài)展示教具整個(gè)工作流程是用PLC 控制的，可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況隨時(shí)改編程序達(dá)到所期待的教學(xué)效果。

2 教具控制要求及工作原理

空氣開關(guān)QF 至開關(guān)SA 這一節(jié)燈帶標(biāo)為燈帶1，開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，只要空氣開關(guān)閉合，在連接好外部電源的情況下，這節(jié)燈帶1是常亮狀態(tài)，表示這段導(dǎo)線已經(jīng)有電壓，此時(shí)電路處于開路狀態(tài)，也是正常的工作狀態(tài)。

（1）按下開關(guān)SA，燈常亮，開關(guān)至燈之間這節(jié)燈帶是燈帶2，燈至電源零線端是燈帶3。燈常亮，燈帶1、燈帶2、燈帶3按流水燈的形式亮，說明電路處于通路狀態(tài)，電流在線路中由L 流向N。這時(shí)的工作狀態(tài)是正常的狀態(tài)。斷開開關(guān)后電路恢復(fù)到開路狀態(tài)。

（2）按下開關(guān)SA，燈、燈帶1、燈帶2、燈帶3都處于閃爍狀態(tài)，此時(shí)表示電路處于接觸不良的狀態(tài)，電路中電流時(shí)有時(shí)無。這種狀態(tài)是不正常的，在實(shí)際生活中存在的，是一種不正常的故障狀態(tài)。斷開開關(guān)后，電路恢復(fù)到開路狀態(tài)。

（3）按下開關(guān)SA，燈不亮，只有燈帶1、燈帶2、燈帶3流水狀亮一次后空氣開關(guān)QF 跳閘，說明電路處于短路狀態(tài)。此時(shí)是非常不正常的，在實(shí)際中如果沒有空氣開關(guān)和熔斷器可能會(huì)出現(xiàn)燒線路而引發(fā)火災(zāi)可能的故障狀態(tài)，一定要避免出現(xiàn)。斷開開關(guān)，空氣開關(guān)重新合上后電路恢復(fù)到開路狀態(tài)。至此電路工作的四個(gè)狀態(tài)演示完畢，再次按下開關(guān)SA 后可以重復(fù)以上操作。

3 PLC控制原理及程序設(shè)計(jì)和下載調(diào)試

3.1 控制原理

圖2是狀態(tài)流程，主要分成5個(gè)部分。

圖2 狀態(tài)流程

（1）程序的初始化狀態(tài)，主要是在此狀態(tài)下不能有輸出及進(jìn)行計(jì)數(shù)器清零。

（2）開路狀態(tài)，只有燈帶1是常亮。

（3）通路狀態(tài)，燈常亮，燈帶1、燈帶2、燈帶3流水燈狀態(tài)亮。

（4）接觸不良狀態(tài)，燈帶1、燈帶2、燈帶3、燈都是閃亮狀態(tài)。

（5）短路狀態(tài)，燈不亮，燈帶1、燈帶2、燈帶3流水亮一次后空氣開關(guān)跳閘。

狀態(tài)流程圖清晰地展示了各部分之間的跳轉(zhuǎn)關(guān)系。狀態(tài)流程圖的編程思路是在PLC 教學(xué)過程中教師要著重交給學(xué)生的編程思維，該教具的程序編寫部分也可以改編成為一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，讓2年級(jí)的學(xué)生在PLC 實(shí)訓(xùn)課上進(jìn)行實(shí)施，可以加深學(xué)生對(duì)電工基礎(chǔ)知識(shí)的理解。狀態(tài)流程圖既方便編程，同時(shí)在調(diào)試階段也易于查找需要更改的部分程序。

3.2 I/O地址分配

I/O 分配表需要在編程之前分配好，只有分配好地址，才能明確輸入輸出的實(shí)際意義。輸入量只有開關(guān)X0，空氣開關(guān)X1；輸出量有燈Y0（HL），燈帶Y1（HL1），燈帶Y2（HL2），燈帶Y3（HL3），燈HL4（Y10）。具體I/O 地址分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配

3.3 外部接線圖

此教具外部接線原理如圖3所示，空氣開關(guān)QF合上之后，PLC 接通電源通電，同時(shí)輸入端X1經(jīng)空氣開關(guān)的N 線路到COM 形成閉合回路，用于控制燈帶HL1的輸入信號(hào)。X0與開關(guān)SA 串聯(lián)，用于控制燈的狀態(tài)切換的輸入信號(hào)。Y0輸出用于控制燈HL，Y1輸出用于控制燈帶HL1，Y2用于控制燈帶HL2，Y3 用于控制燈帶HL3，Y10 用于控制燈HL4。當(dāng)Y10有輸出時(shí)，燈HL4亮起的電流只流過空氣開關(guān)的N，電流不平衡，經(jīng)過空氣開關(guān)QF 放大機(jī)構(gòu)放大，空氣開關(guān)跳閘，模擬短路情況。

圖3 PLC外部接線

3.4 程序設(shè)計(jì)

圖4是設(shè)計(jì)并安裝調(diào)試成功的程序。程序解釋具體如下：0步開始是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿3次后C0接通，并在開關(guān)SA 斷開瞬間清零。5步開始是開關(guān)SA 通電瞬間計(jì)數(shù)器C0計(jì)數(shù)一次，記滿3次后不再計(jì)數(shù)，同時(shí)需要在0步條件時(shí)清零后才能重新計(jì)數(shù)。10步開始是在空氣開關(guān)上電瞬間，并且是在負(fù)載燈HL1斷開狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至初始化狀態(tài)，執(zhí)行一個(gè)空輸出M0。17步開始是空氣開關(guān)上電瞬間或者是按下SA 的時(shí)候Y1有輸出，點(diǎn)亮第一節(jié)燈帶HL1讓其長亮。27到43步是電路通路、接觸不良和短路三個(gè)狀態(tài)的選擇條件。51 步開始是電路處于通路狀態(tài)，燈HL 常亮，燈帶HL1、HL2、HL3流水燈亮。75步開始95步以及115步至120步是短路轉(zhuǎn)態(tài)燈帶HL1、HL2、HL3流水燈亮一次后Y10接通負(fù)載燈HL1亮起，帶漏電功能的空氣開關(guān)在只有單線接入狀態(tài)下會(huì)電流不平衡觸發(fā)自動(dòng)跳閘模擬短路跳閘。99步開始至112步是接觸不良狀態(tài)，燈HL1及燈帶HL1、HL2、HL3都在閃爍狀態(tài)。

圖4 完整程序

4 后續(xù)開發(fā)設(shè)想

在原有教具的基礎(chǔ)上可以加入觸摸屏模塊，通過PLC 控制并用觸摸屏中的流動(dòng)塊代表電流的定向流動(dòng)，讓電流的流動(dòng)看起來比現(xiàn)在使用燈帶流水燈演示更加的形象生動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生理解，幫助實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。后期的改造升級(jí)可以結(jié)合本校的實(shí)際，不需要再投入經(jīng)費(fèi)就可以產(chǎn)出，是一個(gè)很好的教學(xué)研究載體。也可以考慮把三節(jié)等待變成更多的燈帶，讓流水燈亮起來更加美觀和符合審美。

5 結(jié)束語

（1）自制教具符合科學(xué)性，能準(zhǔn)確、客觀地呈現(xiàn)要展示的相關(guān)聯(lián)的科學(xué)知識(shí)點(diǎn)。制作教具的教師本人首先要對(duì)相應(yīng)的物理知識(shí)要有正確、清晰的理解，從科學(xué)的角度出發(fā)，做到概念正確，觀點(diǎn)嚴(yán)謹(jǐn)、不能出現(xiàn)和現(xiàn)有物理知識(shí)體系相違背的地方。

（2）盡量選用教學(xué)過程中能接觸到的實(shí)驗(yàn)材料，因地制宜、物盡所能。制作的教具在教學(xué)使用過程中必須安全可靠，不能存在安全隱患。

（3）能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，打開學(xué)生探索知識(shí)的大門。有趣的實(shí)驗(yàn)，能極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入神奇的物理世界，思考其中的奧秘。

（4）教師本身的知識(shí)技能要足夠的豐富，同時(shí)眼界要更寬闊。因?yàn)橹挥兄R(shí)技能豐富，眼界高看得遠(yuǎn)，才能根據(jù)身邊現(xiàn)有的東西，自己動(dòng)手完成教具的設(shè)計(jì)制作。