可编程序控制器的教学方法探析

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  可编程序控制器,programmable contro-ller,简称PC,为了和个人计算机PC相区别,通常简称为PLC,为可编程序逻辑控制器。但如今的PLC已不仅仅具有逻辑控制功能了。目前可编程序控制器正逐渐改变着工厂自动控制的面貌,取代传统的继电器控制。对于一名大专应用电子专业的学生而言,学习可编程控制器,掌握其应用,对于他们今后的就业和生存是极其有利的。
  一、学情分析
  笔者本学期担任的应用电子专业类学生的《可编程序控制器》的教学工作,这个班的学生是五年制应用电子专业(大专),今年是入学的第四年,在此之前学习的专业课程有:《电工基础》、《应用电路分析》、《模拟电路》、《数字电路》、《低压电气运行》、《电视机原理》等等,在这些课程当中,对于《可编程序控制器》的学习有一定作用的是《数字电路》和《低压电气》这两门课程,其中《数字电路》这门课程中的数字逻辑关系:与、或、非和PLC指令系統中的触点串联指令AND、触点并联指令OR、取反指令INV非常接近。此外《低压电气运行》这门课程中的电气控制在PLC中运用也非常广泛,例如:异步电动机单向运转控制电路,用低压电气课程中的继电器等可以实现,用PLC的程序控制同样也可以实现,但是PLC的接线要远远比低压电气的接线要简单得多,同时可靠性也要高很多。
  尽管有这两门课程的基础,但是对于一个大专四年级的学生来说,学习PLC并不是一件简单的事情,这从我上课的情况可以看出来。这是为什么呢?我简单的分析了一下:
  1.学习兴趣:
  从授课的情况来看,绝大部分的学生对于本课程的学习还是比较感兴趣的。因为本课程的学习是需要理论与实践相结合的,其中实践就是在实验室里,借助计算机编程通过PLC实验箱来实现功能。对于一个电子大专生而言,在计算机上编程,然后程序传输到PLC实验箱是一个比较“新奇”的事情,尽管计算机对于他们来说并不太陌生,但是电子专业课程在计算机上实现就不一样了,因为在此之前,他们的专业课从来没有在计算机上上过课,更别提借助于计算机实现控制功能了。另外,PLC的控制在我们的日常生活中均是可见的,只不过学生不知道罢了,所以笔者在授课的过程中,多举这样的例子,譬如说“抢答器”、“电梯”、“十字交通灯”、“全自动洗衣机”、“工业控制”等等,所以学生对于能够亲手设计出一个全自动洗衣机的程序还是相当期待的,这样也就不存在学习兴趣的问题了。
  2.学习目标:
  笔者的学生是大专四年级的学习,马上就面临着就业的挑战。平时学校和专业科都注意对方面的引导和教育,所以他们也知道这门课程对于他们将来就业的作用。因为将来一旦能够从事这方面的工作,那么基本上就可以脱离体力劳动,而且工资也将提升一个大的梯级。这些我都是通过学生的辅导员老师了解到的。
  3.课程难度:
  PLC的编程语言多种多样,至今为止还没有一种能适合各种PLC的通用编程语言,国际电工委员会(IEC)对当代种类繁多的概念和语言进行了标准化(IEC61131-3),制定了工业控制器(包括PLC)的标准,对PLC定义了五种编程语言:
  (1)梯形图编程语言(Ladder Diagram,简称LD);
  (2)指令语句表编程语言(Instruction Li-st,简称IL);
  (3)功能块图编程语言(Function Block Diagram,简称FBD);
  (4)顺序功能图编程语言(Sequential Fun-ction Chart,简称SFC);
  (5)结构化文本编程语言(Structured Text,简称ST),因为我们所教授的是三菱电机公司的PLC,所以推荐使用IL,LD这两种语言。其中梯形图编程语言(LD)类似于继电器控制线路的梯形图,与工程技术人员的读图习惯很接近,在这些梯形图中,主要由学生所熟悉的常开触点、常闭触点和线圈、定时、计数等符号组成,应该不难接受。
  从以上三个方面方析,学生对于这门课程的学习难度应该不大,但在实际教学中,情况却大不一样,学生对于基本指令的理解还可以,一旦涉及到程序的理解以及编写程序时却是毫无头绪,一个班四十个学生,只有3——4个人能够完全理解,这对于教学的初衷是大相径亭的,这是为什么呢?笔者再通过分析发现,目前PLC的工业控制已经涉及到工业控制的各个领域,不再仅仅局限于传统开关量的逻辑控制,另外还包括模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理以及通信和联网等等,可以实现的控制量越多,程序也就越复杂,学生也就越难理解。此外,学生对于计算机编程如C语言等毫无基础,这样对于编程的具体思路也就毫无头绪。打个比方,一个从未吃过鸡蛋,也没有看到过别人是如何吃鸡蛋的人,当拿到一个鸡蛋的时候,也不知道如何下口,其道理与目前这种状况是一样的。本来,学生三年级学习的《数字电路》这门课程,也可以通计算机来设计电路实现功能,但由于当时学校条件的制约,未能实现,所以现在学起PLC来越加的困难。
  二、“浅入深出”式教学方法
  既然学生的具体情况如此,那么如何来组织PLC的教学呢?如果按照课本上的程序逐条的讲解,发现效果仍不是很明显,因为逐条的讲解程序,最多只能做到让学生读懂程序,一旦脱离课本,自己编写程序时还是不会,因此,在教学过程中,不仅要讲解程序的功能,同时还要向学生灌输编程的思路。一个复杂的控制程序,不可能在编写的时候,能够很顺利的从头编到尾,能够实现其所有的功能,必须一开始编写主干程序,然后再根据程序所要实现的控制要求一点点的去丰满。这种编写程序的方式也是对于初学者而言,有经验的工程技术人员熟悉经常需要用的各种程序,如异步电动机控制等,他们在编写的时候,往往编写速度更快,思路也更为清晰。而学生仅仅是一个初学者,不了解任何控制电路,所以他们只能从最简单的程序开始。   举个例子,笔者在教学过程中,讲过一个交通信号灯控制电路。为了讲解这个控制电路学生能够理解,而且能够自己编写可是费了不少心思。当然,在讲解这个电路之前,学生对于PLC的各种内部编程器件以及指令系统均有了大致的了解和掌握,同时对于简单的控制电路也能够读懂,相比较而言,交通信号灯控制电路要复杂得多。
  其具体控制工艺:南北、东西向十字路口,均设有红、黄、绿三只信号灯。六只灯依时序循环往复工作。控制交通信号灯的PLC選用FX2N-32MR,该系统有一个输入装置和六个输出装置。输入装置与输出装置与PLC的地址编号对应如表1所示。
  学生一开始拿到这个程序时,往往是无从下手,那么我们不妨将这个程序流程化:起动后,南北红灯亮并维持30S,在南北红灯亮的同时,东西绿灯也亮;到25S,东西绿灯闪亮,3S后熄灭,在东西绿灯熄灭后东西黄灯亮2S后(到此为一半),东西红灯亮,同时南北红灯灭,南北绿灯亮。南北绿灯亮了25S后闪亮,3S后熄灭,黄灯亮2S后熄灭,南北红灯亮,东西绿灯亮,循环。更为简单的说就是南北红灯亮30S的过程中,东西绿灯亮25S,闪动3S,黄灯亮2S;东西红灯亮30S的过程中,南北绿灯亮25S,闪动3S,黄灯亮2S。这样分析下来,就要清晰得多了。但是在这个程序中还有一个学生认为比较困难的是闪动3S,所以笔者在教学的时候,把这个程序拆分开来。一开始只要求学生实现简单的流程即:南北红灯亮30S过程中,东西绿灯亮28S,黄灯2S;东西红灯30S过程中,南北绿灯28S,黄灯2S。一般学生对于这样的流程还是能够编写出来的。
  那么接下来,就是闪动3S了,闪动3S,就是在1秒种内亮0.5S,灭0.5S,如此反复3次就可以实现闪动3S。这是通过一个振荡器来实现的。具体电路如图1所示。
  在如上振荡器中,是通过两个定时器T1、T2以及一个计数器C0来实现振荡的,X0为启动开关,Y0为输出。在1S时间内,亮0.5S,灭0.5S,通过计数器实现3次闪动,正好是3S闪动。如果想实现亮0.6S,灭0.4S,只需更改两个定时器的定时值就可以实现了。如果将此振荡器用在交通灯电路中时,需注意的是:
  (1)开机计数器复位;
  (2)每一个循环周期结束(60S结束时),将计数器复位。如果不想如此的麻烦,可以通过三个定时器来实现3S的振荡,两个实现亮、灭,一个作为3S的定时,实现起来也很简单,电路如图2所示。
  在以上两上振荡器中,所用的输出X0均需是开关,而不能是按钮,也就是在振荡器工作过程中,X0需一直处于闭合状态,如果要用按钮,只要借助于辅助继电器M加自锁即可实现,这一点需向学生说明。
  通过以上的分步讲解,学生基本上已经可以将最终程序编写出来。
  当然,在实际教学过程中,学生遇到的问题是多种多样的,而可编程序控制器的程序根据其应用场合编程的思路也不尽相同,这“浅入深出”式的教学方法也不可能应用于所有的可编程序控制器的教学中,因此,只有我们在教学过程中不断的发现问题,不断的改进教学方法,才能进一步的提高教学质量,使学生学有所成。
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