“電氣控制及可編程控制技術”課程教學探討

摘要：“電氣控制及可編程控制技術”是電氣工程及其自動化專業的一門重要的專業課。針對課程特點，結合自身教學經驗，借助“等效電路”分析可編程控制器的工作機理，注重可編程控制器硬件配置的教學，利用程序設計中的對比分析等方法，將課程關鍵知識的內容、難點和疑點有效地加以講解，進一步改善教學效果。

關鍵詞：電氣控制；可編程控制器；教學探討

作者簡介：何新霞（1966-），女，河南滑縣人，中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，副教授。（山東 青島 266580）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0101-02

“電氣控制及可編程控制技術”是電氣工程及其自動化專業的一門重要專業課。該課程分為電器控制和可編程控制技術兩大部分內容，[1]是以電動機或其他執行電器為控制對象，內容主要涉及繼電接觸器控制系統和可編程控制器 （PLC） 控制系統的工作原理、典型電氣控制線路的分析、設計及其應用。電器控制技術是課程的基礎，隨著PLC技術的迅速發展，PLC在工業控制領域的應用范圍越來越廣泛，PLC技術是該課程的重點。

在教學中，應注意對課程關鍵知識內容的教學研究，探討易于讓學生接受的教學方法，提高學生的學生興趣。本文從以下幾方面對電氣控制及可編程控制技術課程教學進行了有益的探討。

一、借助“等效電路”講清PLC的工作機理

PLC是在繼電-接觸器控制系統和計算機技術的基礎上開發出來的一種新型的工業控制器。在講述PLC工作原理時，結合繼電、接觸器控制電路圖，用PLC實現等效繼電-接觸器控制的電路[2-4]加以講解。圖1所示為實現電機正、反轉運行的繼電、接觸器控制電路及用PLC控制的等效電路。幾個按鈕和熱繼電器的常閉觸點作為外部輸入設備，接至PLC的輸入接點，兩個交流接觸器的線圈作為輸出設備，與PLC的輸出點相連，輸入和輸出的控制關系由PLC程序實現。

一個掃描周期的輸入刷新階段，外部開關信號經PLC的輸入端子送至對應的內存單元（輸入映像寄存器）。外部開關閉合，對應內存單元的內容為“1”，該輸入繼電器的線圈通電，程序中其常開觸點閉合，常閉觸點斷開；外部開關斷開時，對應內存單元的內容為“0”，該輸入繼電器的線圈斷電，程序中其常開觸點斷開，常閉觸點閉合。

程序執行時，PLC按照用戶程序存儲的先后順序逐條執行每一條指令，需要的輸入條件或內部元件狀態分別從輸入映像寄存器及元件狀態寄存器中讀取，按照規定的控制邏輯進行運算，存儲運算結果。

程序執行結果決定該掃描周期輸出繼電器的狀態，某一輸出繼電器內存單元的內容為“1”時，對應的輸出接口電路中的開關元件閉合，使得接到該輸出端子上的外部負載電路接通電源；某一輸出繼電器內存單元的內容為“0”時，對應的輸出接口電路中的開關元件斷開，接到該輸出端子上的外部負載電路切斷電源。

至此，完成一次掃描過程，然后重復執行上述過程，即是PLC的循環掃描工作方式。通過這樣的講解，有助于學生真正理解PLC的結構特點和工作機理，為以后應用程序的分析和設計打下基礎。

二、注重PLC硬件配置的教學

學習S7-200 PLC 硬件結構內容時，應讓學生對PLC控制系統的基本構成有一整體把握，掌握CPU模塊、數字量、模擬量擴展等模塊的性能特點及使用方法。根據控制要求，能夠為主機配置合適的擴展模塊，并會對各類輸入/輸出模塊的輸入/輸出點進行編址。對數字量輸入/輸出是按模塊、以字節為單位進行編址的，[2]主機提供的I/O由第0號字節開始，地址逐漸增加，如有擴展模塊，由I/O模塊類型及模塊在I/O鏈中的位置按此原則自動分配。若某一模塊的數字量I/O點數不是8的整數倍，仍以8點來分配地址，未用的地址不能分配給I/O鏈中的后續模塊。模擬量輸入/輸出均為字類型數據，每一通道對應一個字類型地址，模擬量也是按模塊的先后順序編址，每個模塊最少占用2的倍數個輸入或輸入通道。[2]

完成硬件配置及I/O分配后，外部輸入設備中觸點與PLC接線方式與其在梯形圖中觸點的對應關系[5]也是需要注重的內容。仍以圖1所示的電機正、反轉控制電路為例，圖中正、反向起動按鈕SB2、SB3用常開觸點與PLC相連，梯形圖中與之對應的輸入繼電器I0.1和I0.2也用常開觸點，學生理解起來比較容易。而停止按鈕SB1用常開觸點與PLC相連，梯形圖中與之對應的輸入繼電器I0.0則用常閉觸點，學生理解起來有困難。這時需向學生講解清楚：SB1用常開觸點與PLC相連，沒按下SB1時，對應輸入繼電器I0.0內存單元的內容為“0”，梯形圖中其常閉觸點閉合；按下SB1，對應內存單元的內容為“1”，梯形圖中其常閉觸點斷開。這樣的控制邏輯正好符合停止按鈕對系統的控制要求。若SB1用常閉觸點與PLC相連，梯形圖中與之對應的I0.0則用常開觸點，因此時沒按下SB1時，對應的內存單元的內容為“1”，程序中其常開觸點閉合；按下SB1時，I0.0內存單元的內容為“0”，程序中其常開觸點斷開，這樣也符合停止按鈕對系統的控制要求。熱繼電器的常閉觸點與PLC相連，梯形圖中與之對應的輸入繼電器I0.3用常開觸點，也是同樣道理。

三、程序設計中的對比分析

PLC應用程序設計是PLC控制技術的核心內容。在講述PLC的指令系統時，除穿插講解適量有針對性的應用例子外，比較注重對同一控制任務不同控制方式之間的對比分析，如：繼電接觸器硬接線“程序”控制方式與PLC軟“程序”控制方式的對比分析；同一控制任務采用不同指令編程間的對比分析。由于篇幅所限，列舉1～2例加以說明。

1.繼電接觸器硬接線“程序”控制方式與PLC軟“程序”控制方式的對比分析

學習完第一部分——電器控制技術的內容后，學生對如何用繼電-接觸器實現交流異步電動機的控制方式已比較熟悉。在講到PLC相關內容時，應引導學生思考如何用PLC實現交流異步電動機的控制，并以電機正反轉控制、星形-三角形降壓起動控制及定子串自耦變壓器降壓起動控制為例加以講解。講解時注意引導學生掌握用PLC實現上述控制任務的方法、編程思路和硬件接線，讓學生既明白PLC控制系統與繼電-接觸器控制線路的聯系，又了解它們之間的差異，真正理解PLC軟程序控制方式相比于繼電-接觸器的硬接線程序控制方式的優勢所在。

2.脈沖輸出電路的程序設計

脈沖產生電路在許多控制場合都有應用，是定時器指令應用的典型例子。選擇圖2所示的幾個脈沖輸出電路[2]進行講解并作對比分析。圖2（a）所示為用一個定時器指令實現輸出周期固定、脈寬為一個掃描周期的脈沖輸出電路，該電路的缺點是輸出信號的脈沖寬度太小，只有一個掃描周期，且不可調。為此引出圖2（b）所示的利用2個定時器實現的脈沖輸出電路，其中導通時間由定時器T38控制，關斷時間由T37控制，通過改變2個定時器的設定值，即可改變輸出脈沖的周期和占空比，在對此例的程序進行分析后，引導學生思考：若將梯形圖最后一個邏輯行中T37的常開觸點改為常閉觸點，程序運行結果會有什么變化？講完比較指令后，可引出圖2（c）所示的用比較指令和定時器組成的脈沖輸出電路，程序中第一、二邏輯行共同構成自振蕩電路，周期為5s。在一個定時周期內，當T33的當前值大于等于200時，Q0.0輸出為“ON”，否則為“OFF”，之后，定時器復位一個掃描周期，又開始一個新的定時周期，這樣在Q0.0輸出一周期為5s，脈寬為3s的脈沖信號。改變定時器的設定值及比較指令參數值，就可得到不同周期、不同占空比的脈沖信號。

通過這樣的對比分析，可以體現PLC編程的靈活性，加深學生學習印象，提高學習興趣，加強學生對程序設計的掌握。

四、難點、疑點內容應講清、講透

1.內部軟元件及其編址

學習PLC編程元件時，應讓學生掌握PLC各種編程軟元件及其地址分配，弄清楚同一種軟元件其位類型、字節類型、字類型和雙字類型編址方式之間的關系。同時也應引導學生正確理解PLC內部編程元件的真正含義，編程元件在功能、使用上相當于繼電-接觸器控制系統的電器元件，認為它們具有線圈和觸點，線圈得電，觸點動作。但從實質上講，編程元件是PLC存儲器中的某一存儲單元，由PLC分區并賦予了不同的功能，它們在編程中承擔不同的角色，完成不同的任務，某一存儲單元內容為“1”，認為對應的繼電器線圈得電，觸點動作。

2.定時器的刷新

定時器的刷新[2]是指PLC程序執行過程中定時器當前值和定時器位的更新過程，對于S7-200系列PLC來說，不同時間基的定時器，其刷新方法也不同。[4]1ms定時器每隔1ms刷新一次，與掃描周期和程序的執行過程無關；10ms定時器每個掃描周期開始時自動刷新，定時器位和當前值在整個掃描周期內保持不變；100ms 定時器在該定時器指令被執行時刷新。

為了說明定時器刷新方法的不同及程序設計時應注意的問題，一般教材均通過自振蕩電路加以說明。自振蕩電路輸出一個斷開為延時時間，接通為一個掃描周期的脈沖信號，因PLC的一個掃描周期為ms級，這么短的時間，人的肉眼并不能捕捉到，若將程序下載到PLC中聯機調試，并不能觀察到應有的結果，不利于學生理解。

為加深理解定時器刷新方式問題，設計了如圖3所示的梯形圖程序。圖3中，第一個邏輯行形成定時器的“定時脈沖”產生電路，每隔1s，T37高電平一個掃描周期，即產生一個脈沖。第二個邏輯行利用計數器C0對該脈沖信號進行檢測并計數，第三至第六邏輯行依據檢測到的脈沖個數使Q0.0-Q0.3依次通電。將此程序下載到PLC中聯機調試，可看到I0.0閉合后每間隔3s，Q0.0、Q0.1、Q0.2依次通電，10s時，Q0.3通電，定時器T37利用自身的常閉觸點作為輸入端，能實現“定時脈沖”產生電路。不改變程序結構，將T37分別換成T33（10ms時基）和T32（1ms時基），設定值分別設為100和1000，換為T33時，Q0.0-0.3根本無輸出，說明其不能實現“定時脈沖”產生電路，計數器也就檢測不到脈沖信號；換為T32時，會有輸出，但時間不是在10s內，而是更長的時間才偶有輸出，說明T32并不能在規定的時間內正確輸出脈沖序列。通過此例，很好地說明了三種時基定時器刷新方式的不同，便于學生學習和理解。

五、結束語

在“電氣控制及可編程控制技術”課程教學中，對如何利用“等效電路圖”講解PLC的工作機理，注重PLC硬件資源的教學及如何在程序設計中進行對比分析等方面進行了有益的探討，促進了學生對課程知識內容的掌握，有助于提高學生理解能力，提升學習效率。

參考文獻：

[1]魏祥林，傅龍飛，王樹東.“電氣控制與PLC 應用”課程教學理念優化[J].電氣電子教學學報，2012，34（2）：20-22.

[2]何波，于軍琪，段中興.電氣控制及PLC應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]張萬忠，劉明芹.電器與PLC控制技術[M].第三版.北京：化學工業出版社，2012.

[4]祝福，陳貴銀.西門子S7-200系列PLC應用技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

[5]王平，董磊，何新霞.電氣控制及可編程控制技術[M].東營：中國石油大學出版社，2009.