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摘要：可编程控制器（PLC）是自动化、电气、计算机类本科专业课程。在课堂理论教学中利用软件仿真运行，演示指令、程序等运行结果，配合课堂教学讲解，可以让学生在课堂教学阶段就较好地理解指令功能等知识；在实验教学中，充分利用软件仿真的特点，开展组态、模拟量、中断等仿真实验，实验条件不受实验室条件限制，拓展了实验教学内容。
关键词：PLC；仿真；程序；实验
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）27-0060-03
随着信息技术的飞速发展，工业自动化技术在生产中广泛应用，可编程控制器作为最主用的一种机电设备的控制器被普遍应用于机械手、流水线等机电设备中。它是工业自动化领域中最常用的控制器。与之相对应的是该应用领域需要大量相应的工程技术人员从事该类自动化项目的设计、开发与运行维护。
目前，在自动化、电气、计算机等本科专业中都开设了可编程控制器技术、可编程控制器原理与应用等课程。该门类课程是理论与实践的结合。如何在本科教学中使学生在有限学时内，对该门类课程学习有更好的学习效果和掌握，衔接其毕业后的实际工作，是教学方法和模式需要研究和讨论的。
本文首先阐述了可编程控制器技术类课程的内容与培养目标，总结了该门课程的教学特点，对理论教学、实践教学内容和方式进行了讨论与分析，罗列了教学中的问题。针对这些教学中的不利因素，以教学内容为Siemens的S7-300PLC为对象，给出理论教学中和实践教学中的改进措施。在教学中，利用仿真环境进行程序指令的讲解和演示，让学生在课堂教学中对指令的功能和执行结果有了直接的理解；在实验教学环节，采用仿真运行环境进行更多硬件平台的仿真实验，实验内容不受实验室设备条件限制，拓展了实验内容。[1]这些措施的采用提高了课堂和实验教学效果，使学生对教学内容有更深的理解和掌握。
一、教学内容与培养目标
可编程控制器技术类课程主要介绍可编程控制器的硬件结构和原理、软件设计方法（基本的梯形图程序设计方法和顺序控制的程序设计方法等）。其内容为硬件原理、结构与软件环境、编程。该门课程开设在模拟电子、数字电子、微机原理、C语言程序设计等专业基础课程之后。该门课程不同于单片机、C语言等硬件与程序设计类课程，其与机电控制应用结合紧密，性质偏于本科教学中实践类课程。因此，课程的特点是实践性强、概念与实践联系密切。该课程的培养目标是通过对可编程控制器硬件原理与编程方法的学习以及课程实验，使得学生掌握基本机电控制设备的梯形图程序设计方法，了解硬件系统的安装和接线等基本电气知识，培养学生对机电控制系统的分析设计能力、工程实践能力。
二、教学模式中的问题
该门课程在教学中的问题可以归纳为以下几个方面：第一，由于课程内容与实践联系紧密，输入信号与执行机构等生产中的事物对本科学生还比较陌生，在理论教学阶段的主要程序指令功能的逐条介绍，使得课堂教学显得单调、枯燥。第二，由于实验学时、实验设备等条件的限制，实验教学环节一般只安排基本实验内容：线圈/触点指令、定时器/计数器指令、机械手顺序控制等基本实验。模拟量输入、中断等涉及硬件的内容依赖于实验室条件。同时在有限实验学时下，学生对硬件系统和软件程序设计方法的实践有限。第三，由于前述两个原因导致学生毕业后到企业后从事该领域工作时，往往是对该门技术熟悉程度不高，甚至动手能力不如职业类院校学生，还需重新开始学习经历一段时间后才开始能上手和承担技术工作。
三、理论与实践教学模式探索
针对以上教学中的问题，下面分别就可编程控制器技术课程在理论教学和实践教学中的教学模式进行阐述与讨论。
1.理论教学
可编程控制器技术课程的理论教学主要为硬件系统结构和原理、工作方式。硬件系统包括CPU、I/O等模块的结构、功能及地址分配等；软件部分为程序指令功能介绍：触点、线圈、定时器、计数器等常用机电控制指令、顺序控制程序设计方法、硬件组态、程序结构、组织块、功能块和功能等。
在触点、线圈等数字量控制指令功能讲解中，利用S7-300的编程软件STEP7 V5.5及其仿真软件PLCSIM，[2-4]在介绍指令功能的同时，在其软件环境下进行仿真运行。这里以实现电机启停控制的两种不同梯形图为例：在SIMATIC管理器中打开主程序OB1，在其中编辑两条指令：一是触点实现电机启停控制，输入地址I0.0（启动），I0.1（停止），输出地址Q4.0（电机），常开触点I0.0控制线圈Q4.0的启动，常闭触点I0.1控制线圈Q4.0的停止。二是用置位优先触发器实现电机启停，输入地址I0.2（启动），I0.3（停止），输出地址Q4.3（电机）。编译下载，在PLCSIM中打开和建立输入变量I0.0、I0.1、I0.2、I0.3，输出变量Q4.0、Q4.3。打开程序界面中的监视开关。将PLCSIM的运行状态调整为“RUN”，程序进入仿真运行状态，对输入变量I0.0、I0.1、I0.2、I0.3可通过鼠标点击来选择On/Off，可以看见Q4.0、Q4.3的变化，程序及仿真运行见图1。
在这个例程中，分别展示了常开、常闭触点的特点和区别，机电启停电路的控制，置位优先触发器的特点。其他所有指令的功能介绍都可以通过这种仿真运行方式进行讲解和演示。
2.实验教学
实验环节内容为对硬件系统的认识和软件编程的实践。通过实验加深编程指令功能的理解和梯形图程序设计实践。S7-300PLC的实验主要内容为触点、线圈、定时器、计数器等常用位逻辑指令实验、硬件组态、功能块和功能编程、模拟量输入、中断等。其中硬件组态、模拟量输入和中断等与实验室硬件设备紧密相关，这里在实验中利用仿真运行环境能够实现任意硬件配置的组态、模拟量和中断实验。
硬件组态实验：硬件系统组成为CPU模块S7的317-2DP模块，两个I/O模块为32路数字量输入模块SM321，32路数字量输出模块SM322。一个PROFIBUS通信模块CP343-1。其组态过程如下：在STEP7主程序界面中，即SIMATIC管理器左侧树型菜单中，找到站对象，双击右侧窗口的“硬件”图标，打开硬件组态工具HW Config。点击右侧的硬件目录，[5]首先在“SIMATIC 300＼ RACK-300”中双击“Rail”，在左侧空白界面中放置一个导轨，接下来在硬件目录中选择所用模块，将其插入到机架中指定的槽位。分别将电源模块“PS307 10A”、CPU模块“CPU 317-2DP”、32路输入模块“DI32×DC24V”、32路输出模块“DO32×DC24V/0.5A”、通信模块“CP343-1”分别插入1、2、4、5、6号槽。3号槽是留给IM接口模块的，本实验中硬件系统是单机架系统，所以不用IM接口模块。CPU 317-2DP本身有PROFIBUS DP通信端口，在其上新建一个PROFIBUS网络“PROFIBUS（1）：DP主站系统（1）”。通过双击上述5个模块，弹出属性对话框，在其中可以进行模块参数的设置。组态结束后，编译并保存。启动PLCSIM，运行状态为“STOP”，点击HW Config界面中的下载箭头，将上述组态信息下载到CPU模块，组态仿真见图2。 模拟量输入仿真实验：模拟量输入是将工业现场的温度、压力等传感器输出的模拟量通过PLC的模拟量输入模块，将模拟量转换为数字量后送入CPU模块进行处理。步骤如下：硬件组态，在硬件目录中选好电源、CPU模块，然后选择SM331 AI2×12Bit模拟量输入模块，该模块有两路12位的A/D转换通道。然后在程序中编辑一条梯形图语句，在程序界面左侧的程序元素中选择“库 ＼ Standard library ”中的块FC 105。该功能块接受一个整型值（IN），并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）之间的实型值。该实验程序直接将模拟量通道PIW304的值输入到FC 105，输出转换。该条语句中输入端（IN）接模拟量输入地址PIW304，下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）值分别为0和100，输入信号极性（BIPOLAR）设为1，表示双极性。转换输出结果存放于地址DB200.DBD12中。运行PLCSIM，建立变量PIW304和DB200.DBD12，改变PIW304的值，可以观察到DB200.DBD12中转换结果的变化。程序及仿真运行见图3。
中断实验仿真：S7-300CPU的中断调用以组织块形式出现，包括硬件中断和定时器中断。这里给出硬件中断的实验，硬件中断用于快速响应信号模块，如输入/输出模块SM的信号变化。具有硬件中断功能的信号模块将中断信号传送到CPU时，将触发硬件中断。步骤如下：如前所述，硬件组态在硬件目录中选好电源、CPU模块，然后选择SM321 DI 16xNAMUR数字量输入模块。该模块的每个输入端都支持上升沿和下降沿中断，在该模块硬件属性对话框中分别选择I0.0和I0.1为上升沿触发中断与下降沿触发中断。组态结束，编译下载。在主程序OB1中编辑两条语句：分别调用系统功能块SFC40和SFC39。SFC40的作用是使能系统中断，SFC39的作用是禁止系统中断。第一条语句I0.2用来调用SFC40，第二条语句I0.3用来调用SFC39，这样通过开/关I0.2和I0.3可以使能/禁止系统中断。编译并下载该程序块，启动PLCSIM，使其运行状态为“RUN”，在其菜单命令“执行”→“触发错误OB”→“硬件中断（OB40-47）”。打开该对话框，在“模块地址”内输入模块地址0，在“模块状态”（POINT_ADDR）内输入模块位地址0。然后点击“应用”按钮，触发I0.0 的上升沿中断。CPU调用中断程序OB40，Q4.0输出为1；将模块位地址（POINT_ADDR）改为1，对应I0.1产生的下降沿中断，点击“应用”按钮，触发I0.1 的下降沿中断，Q4.0输出为0。程序及仿真运行见图4。
四、结语
可编程控制器技术是一门理论与实践结合紧密的课程。该门类课程是在理论知识学习之后，内容涉及到实际生产的应用。如何在有限学时和教学资源条件下，高质量地实现课程的培养目标是需要研究和探索的。本文对可编程控制器技术的教学方式进行了探讨：在理论教学环节引入程序仿真运行，以单条指令功能演示为例，在课堂中除了指令功能讲解之外，演示这些指令的执行结果可以让学生对该内容有更好的理解。同时，顺序控制、功能块和功能的程序运行与调用关系也可以按这种方式进行课堂教学演示，这样可以给出程序在运行过程中变量的直观变化，加深学生对程序结构的认识；实验环节中，在现有实验条件基础上充分利用仿真软件环境开拓实验内容，进行了与硬件设备关系紧密的组态、模拟量输入和中断的仿真实验。模拟量输入仿真实验可以进行所有型号的AI模块输入和数据转换实验，不局限于实验室仅有的模拟量输入模块。硬件中断实验也是如此，可以进行所有型号的硬件中断模拟实验，加深学生对硬件中断的理解，有助于掌握中断程序的执行过程。
参考文献：
[1]陈永强，全成斌.硬件模拟实验系统设计[J].计算机教育，2013，
（23）：124-126.
[2]吴作明，杜明星.深入浅出西门子STEP7[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.
[3]廖常初.S7-300/400 PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，
2013.
[4]廖常初.跟我动手学S7-300/400PLC[M].北京：机械工业出版社，2010.
[5]陈海霞.西门子S7-300/400PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2010.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：PLC；仿真；程序；实验
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）27-0060-03
随着信息技术的飞速发展，工业自动化技术在生产中广泛应用，可编程控制器作为最主用的一种机电设备的控制器被普遍应用于机械手、流水线等机电设备中。它是工业自动化领域中最常用的控制器。与之相对应的是该应用领域需要大量相应的工程技术人员从事该类自动化项目的设计、开发与运行维护。
目前，在自动化、电气、计算机等本科专业中都开设了可编程控制器技术、可编程控制器原理与应用等课程。该门类课程是理论与实践的结合。如何在本科教学中使学生在有限学时内，对该门类课程学习有更好的学习效果和掌握，衔接其毕业后的实际工作，是教学方法和模式需要研究和讨论的。
本文首先阐述了可编程控制器技术类课程的内容与培养目标，总结了该门课程的教学特点，对理论教学、实践教学内容和方式进行了讨论与分析，罗列了教学中的问题。针对这些教学中的不利因素，以教学内容为Siemens的S7-300PLC为对象，给出理论教学中和实践教学中的改进措施。在教学中，利用仿真环境进行程序指令的讲解和演示，让学生在课堂教学中对指令的功能和执行结果有了直接的理解；在实验教学环节，采用仿真运行环境进行更多硬件平台的仿真实验，实验内容不受实验室设备条件限制，拓展了实验内容。[1]这些措施的采用提高了课堂和实验教学效果，使学生对教学内容有更深的理解和掌握。
一、教学内容与培养目标
可编程控制器技术类课程主要介绍可编程控制器的硬件结构和原理、软件设计方法（基本的梯形图程序设计方法和顺序控制的程序设计方法等）。其内容为硬件原理、结构与软件环境、编程。该门课程开设在模拟电子、数字电子、微机原理、C语言程序设计等专业基础课程之后。该门课程不同于单片机、C语言等硬件与程序设计类课程，其与机电控制应用结合紧密，性质偏于本科教学中实践类课程。因此，课程的特点是实践性强、概念与实践联系密切。该课程的培养目标是通过对可编程控制器硬件原理与编程方法的学习以及课程实验，使得学生掌握基本机电控制设备的梯形图程序设计方法，了解硬件系统的安装和接线等基本电气知识，培养学生对机电控制系统的分析设计能力、工程实践能力。
二、教学模式中的问题
该门课程在教学中的问题可以归纳为以下几个方面：第一，由于课程内容与实践联系紧密，输入信号与执行机构等生产中的事物对本科学生还比较陌生，在理论教学阶段的主要程序指令功能的逐条介绍，使得课堂教学显得单调、枯燥。第二，由于实验学时、实验设备等条件的限制，实验教学环节一般只安排基本实验内容：线圈/触点指令、定时器/计数器指令、机械手顺序控制等基本实验。模拟量输入、中断等涉及硬件的内容依赖于实验室条件。同时在有限实验学时下，学生对硬件系统和软件程序设计方法的实践有限。第三，由于前述两个原因导致学生毕业后到企业后从事该领域工作时，往往是对该门技术熟悉程度不高，甚至动手能力不如职业类院校学生，还需重新开始学习经历一段时间后才开始能上手和承担技术工作。
三、理论与实践教学模式探索
针对以上教学中的问题，下面分别就可编程控制器技术课程在理论教学和实践教学中的教学模式进行阐述与讨论。
1.理论教学
可编程控制器技术课程的理论教学主要为硬件系统结构和原理、工作方式。硬件系统包括CPU、I/O等模块的结构、功能及地址分配等；软件部分为程序指令功能介绍：触点、线圈、定时器、计数器等常用机电控制指令、顺序控制程序设计方法、硬件组态、程序结构、组织块、功能块和功能等。
在触点、线圈等数字量控制指令功能讲解中，利用S7-300的编程软件STEP7 V5.5及其仿真软件PLCSIM，[2-4]在介绍指令功能的同时，在其软件环境下进行仿真运行。这里以实现电机启停控制的两种不同梯形图为例：在SIMATIC管理器中打开主程序OB1，在其中编辑两条指令：一是触点实现电机启停控制，输入地址I0.0（启动），I0.1（停止），输出地址Q4.0（电机），常开触点I0.0控制线圈Q4.0的启动，常闭触点I0.1控制线圈Q4.0的停止。二是用置位优先触发器实现电机启停，输入地址I0.2（启动），I0.3（停止），输出地址Q4.3（电机）。编译下载，在PLCSIM中打开和建立输入变量I0.0、I0.1、I0.2、I0.3，输出变量Q4.0、Q4.3。打开程序界面中的监视开关。将PLCSIM的运行状态调整为“RUN”，程序进入仿真运行状态，对输入变量I0.0、I0.1、I0.2、I0.3可通过鼠标点击来选择On/Off，可以看见Q4.0、Q4.3的变化，程序及仿真运行见图1。
在这个例程中，分别展示了常开、常闭触点的特点和区别，机电启停电路的控制，置位优先触发器的特点。其他所有指令的功能介绍都可以通过这种仿真运行方式进行讲解和演示。
2.实验教学
实验环节内容为对硬件系统的认识和软件编程的实践。通过实验加深编程指令功能的理解和梯形图程序设计实践。S7-300PLC的实验主要内容为触点、线圈、定时器、计数器等常用位逻辑指令实验、硬件组态、功能块和功能编程、模拟量输入、中断等。其中硬件组态、模拟量输入和中断等与实验室硬件设备紧密相关，这里在实验中利用仿真运行环境能够实现任意硬件配置的组态、模拟量和中断实验。
硬件组态实验：硬件系统组成为CPU模块S7的317-2DP模块，两个I/O模块为32路数字量输入模块SM321，32路数字量输出模块SM322。一个PROFIBUS通信模块CP343-1。其组态过程如下：在STEP7主程序界面中，即SIMATIC管理器左侧树型菜单中，找到站对象，双击右侧窗口的“硬件”图标，打开硬件组态工具HW Config。点击右侧的硬件目录，[5]首先在“SIMATIC 300＼ RACK-300”中双击“Rail”，在左侧空白界面中放置一个导轨，接下来在硬件目录中选择所用模块，将其插入到机架中指定的槽位。分别将电源模块“PS307 10A”、CPU模块“CPU 317-2DP”、32路输入模块“DI32×DC24V”、32路输出模块“DO32×DC24V/0.5A”、通信模块“CP343-1”分别插入1、2、4、5、6号槽。3号槽是留给IM接口模块的，本实验中硬件系统是单机架系统，所以不用IM接口模块。CPU 317-2DP本身有PROFIBUS DP通信端口，在其上新建一个PROFIBUS网络“PROFIBUS（1）：DP主站系统（1）”。通过双击上述5个模块，弹出属性对话框，在其中可以进行模块参数的设置。组态结束后，编译并保存。启动PLCSIM，运行状态为“STOP”，点击HW Config界面中的下载箭头，将上述组态信息下载到CPU模块，组态仿真见图2。 模拟量输入仿真实验：模拟量输入是将工业现场的温度、压力等传感器输出的模拟量通过PLC的模拟量输入模块，将模拟量转换为数字量后送入CPU模块进行处理。步骤如下：硬件组态，在硬件目录中选好电源、CPU模块，然后选择SM331 AI2×12Bit模拟量输入模块，该模块有两路12位的A/D转换通道。然后在程序中编辑一条梯形图语句，在程序界面左侧的程序元素中选择“库 ＼ Standard library ”中的块FC 105。该功能块接受一个整型值（IN），并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）之间的实型值。该实验程序直接将模拟量通道PIW304的值输入到FC 105，输出转换。该条语句中输入端（IN）接模拟量输入地址PIW304，下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）值分别为0和100，输入信号极性（BIPOLAR）设为1，表示双极性。转换输出结果存放于地址DB200.DBD12中。运行PLCSIM，建立变量PIW304和DB200.DBD12，改变PIW304的值，可以观察到DB200.DBD12中转换结果的变化。程序及仿真运行见图3。
中断实验仿真：S7-300CPU的中断调用以组织块形式出现，包括硬件中断和定时器中断。这里给出硬件中断的实验，硬件中断用于快速响应信号模块，如输入/输出模块SM的信号变化。具有硬件中断功能的信号模块将中断信号传送到CPU时，将触发硬件中断。步骤如下：如前所述，硬件组态在硬件目录中选好电源、CPU模块，然后选择SM321 DI 16xNAMUR数字量输入模块。该模块的每个输入端都支持上升沿和下降沿中断，在该模块硬件属性对话框中分别选择I0.0和I0.1为上升沿触发中断与下降沿触发中断。组态结束，编译下载。在主程序OB1中编辑两条语句：分别调用系统功能块SFC40和SFC39。SFC40的作用是使能系统中断，SFC39的作用是禁止系统中断。第一条语句I0.2用来调用SFC40，第二条语句I0.3用来调用SFC39，这样通过开/关I0.2和I0.3可以使能/禁止系统中断。编译并下载该程序块，启动PLCSIM，使其运行状态为“RUN”，在其菜单命令“执行”→“触发错误OB”→“硬件中断（OB40-47）”。打开该对话框，在“模块地址”内输入模块地址0，在“模块状态”（POINT_ADDR）内输入模块位地址0。然后点击“应用”按钮，触发I0.0 的上升沿中断。CPU调用中断程序OB40，Q4.0输出为1；将模块位地址（POINT_ADDR）改为1，对应I0.1产生的下降沿中断，点击“应用”按钮，触发I0.1 的下降沿中断，Q4.0输出为0。程序及仿真运行见图4。
四、结语
可编程控制器技术是一门理论与实践结合紧密的课程。该门类课程是在理论知识学习之后，内容涉及到实际生产的应用。如何在有限学时和教学资源条件下，高质量地实现课程的培养目标是需要研究和探索的。本文对可编程控制器技术的教学方式进行了探讨：在理论教学环节引入程序仿真运行，以单条指令功能演示为例，在课堂中除了指令功能讲解之外，演示这些指令的执行结果可以让学生对该内容有更好的理解。同时，顺序控制、功能块和功能的程序运行与调用关系也可以按这种方式进行课堂教学演示，这样可以给出程序在运行过程中变量的直观变化，加深学生对程序结构的认识；实验环节中，在现有实验条件基础上充分利用仿真软件环境开拓实验内容，进行了与硬件设备关系紧密的组态、模拟量输入和中断的仿真实验。模拟量输入仿真实验可以进行所有型号的AI模块输入和数据转换实验，不局限于实验室仅有的模拟量输入模块。硬件中断实验也是如此，可以进行所有型号的硬件中断模拟实验，加深学生对硬件中断的理解，有助于掌握中断程序的执行过程。
参考文献：
[1]陈永强，全成斌.硬件模拟实验系统设计[J].计算机教育，2013，
（23）：124-126.
[2]吴作明，杜明星.深入浅出西门子STEP7[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.
[3]廖常初.S7-300/400 PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，
2013.
[4]廖常初.跟我动手学S7-300/400PLC[M].北京：机械工业出版社，2010.
[5]陈海霞.西门子S7-300/400PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2010.
（责任编辑：王祝萍）