可編程控制器技術教學模式探索

摘要：可編程控制器（PLC）是自動化、電氣、計算機類本科專業課程。在課堂理論教學中利用軟件仿真運行，演示指令、程序等運行結果，配合課堂教學講解，可以讓學生在課堂教學階段就較好地理解指令功能等知識；在實驗教學中，充分利用軟件仿真的特點，開展組態、模擬量、中斷等仿真實驗，實驗條件不受實驗室條件限制，拓展了實驗教學內容。

關鍵詞：PLC；仿真；程序；實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）27-0060-03

隨著信息技術的飛速發展，工業自動化技術在生產中廣泛應用，可編程控制器作為最主用的一種機電設備的控制器被普遍應用于機械手、流水線等機電設備中。它是工業自動化領域中最常用的控制器。與之相對應的是該應用領域需要大量相應的工程技術人員從事該類自動化項目的設計、開發與運行維護。

目前，在自動化、電氣、計算機等本科專業中都開設了可編程控制器技術、可編程控制器原理與應用等課程。該門類課程是理論與實踐的結合。如何在本科教學中使學生在有限學時內，對該門類課程學習有更好的學習效果和掌握，銜接其畢業后的實際工作，是教學方法和模式需要研究和討論的。

本文首先闡述了可編程控制器技術類課程的內容與培養目標，總結了該門課程的教學特點，對理論教學、實踐教學內容和方式進行了討論與分析，羅列了教學中的問題。針對這些教學中的不利因素，以教學內容為Siemens的S7-300PLC為對象，給出理論教學中和實踐教學中的改進措施。在教學中，利用仿真環境進行程序指令的講解和演示，讓學生在課堂教學中對指令的功能和執行結果有了直接的理解；在實驗教學環節，采用仿真運行環境進行更多硬件平臺的仿真實驗，實驗內容不受實驗室設備條件限制，拓展了實驗內容。[1]這些措施的采用提高了課堂和實驗教學效果，使學生對教學內容有更深的理解和掌握。

一、教學內容與培養目標

可編程控制器技術類課程主要介紹可編程控制器的硬件結構和原理、軟件設計方法（基本的梯形圖程序設計方法和順序控制的程序設計方法等）。其內容為硬件原理、結構與軟件環境、編程。該門課程開設在模擬電子、數字電子、微機原理、C語言程序設計等專業基礎課程之后。該門課程不同于單片機、C語言等硬件與程序設計類課程，其與機電控制應用結合緊密，性質偏于本科教學中實踐類課程。因此，課程的特點是實踐性強、概念與實踐聯系密切。該課程的培養目標是通過對可編程控制器硬件原理與編程方法的學習以及課程實驗，使得學生掌握基本機電控制設備的梯形圖程序設計方法，了解硬件系統的安裝和接線等基本電氣知識，培養學生對機電控制系統的分析設計能力、工程實踐能力。

二、教學模式中的問題

該門課程在教學中的問題可以歸納為以下幾個方面：第一，由于課程內容與實踐聯系緊密，輸入信號與執行機構等生產中的事物對本科學生還比較陌生，在理論教學階段的主要程序指令功能的逐條介紹，使得課堂教學顯得單調、枯燥。第二，由于實驗學時、實驗設備等條件的限制，實驗教學環節一般只安排基本實驗內容：線圈/觸點指令、定時器/計數器指令、機械手順序控制等基本實驗。模擬量輸入、中斷等涉及硬件的內容依賴于實驗室條件。同時在有限實驗學時下，學生對硬件系統和軟件程序設計方法的實踐有限。第三，由于前述兩個原因導致學生畢業后到企業后從事該領域工作時，往往是對該門技術熟悉程度不高，甚至動手能力不如職業類院校學生，還需重新開始學習經歷一段時間后才開始能上手和承擔技術工作。

三、理論與實踐教學模式探索

針對以上教學中的問題，下面分別就可編程控制器技術課程在理論教學和實踐教學中的教學模式進行闡述與討論。

1.理論教學

可編程控制器技術課程的理論教學主要為硬件系統結構和原理、工作方式。硬件系統包括CPU、I/O等模塊的結構、功能及地址分配等；軟件部分為程序指令功能介紹：觸點、線圈、定時器、計數器等常用機電控制指令、順序控制程序設計方法、硬件組態、程序結構、組織塊、功能塊和功能等。

在觸點、線圈等數字量控制指令功能講解中，利用S7-300的編程軟件STEP7 V5.5及其仿真軟件PLCSIM，[2-4]在介紹指令功能的同時，在其軟件環境下進行仿真運行。這里以實現電機啟停控制的兩種不同梯形圖為例：在SIMATIC管理器中打開主程序OB1，在其中編輯兩條指令：一是觸點實現電機啟停控制，輸入地址I0.0（啟動），I0.1（停止），輸出地址Q4.0（電機），常開觸點I0.0控制線圈Q4.0的啟動，常閉觸點I0.1控制線圈Q4.0的停止。二是用置位優先觸發器實現電機啟停，輸入地址I0.2（啟動），I0.3（停止），輸出地址Q4.3（電機）。編譯下載，在PLCSIM中打開和建立輸入變量I0.0、I0.1、I0.2、I0.3，輸出變量Q4.0、Q4.3。打開程序界面中的監視開關。將PLCSIM的運行狀態調整為“RUN”，程序進入仿真運行狀態，對輸入變量I0.0、I0.1、I0.2、I0.3可通過鼠標點擊來選擇On/Off，可以看見Q4.0、Q4.3的變化，程序及仿真運行見圖1。

在這個例程中，分別展示了常開、常閉觸點的特點和區別，機電啟停電路的控制，置位優先觸發器的特點。其他所有指令的功能介紹都可以通過這種仿真運行方式進行講解和演示。

2.實驗教學

實驗環節內容為對硬件系統的認識和軟件編程的實踐。通過實驗加深編程指令功能的理解和梯形圖程序設計實踐。S7-300PLC的實驗主要內容為觸點、線圈、定時器、計數器等常用位邏輯指令實驗、硬件組態、功能塊和功能編程、模擬量輸入、中斷等。其中硬件組態、模擬量輸入和中斷等與實驗室硬件設備緊密相關，這里在實驗中利用仿真運行環境能夠實現任意硬件配置的組態、模擬量和中斷實驗。

硬件組態實驗：硬件系統組成為CPU模塊S7的317-2DP模塊，兩個I/O模塊為32路數字量輸入模塊SM321，32路數字量輸出模塊SM322。一個PROFIBUS通信模塊CP343-1。其組態過程如下：在STEP7主程序界面中，即SIMATIC管理器左側樹型菜單中，找到站對象，雙擊右側窗口的“硬件”圖標，打開硬件組態工具HW Config。點擊右側的硬件目錄，[5]首先在“SIMATIC 300＼ RACK-300”中雙擊“Rail”，在左側空白界面中放置一個導軌，接下來在硬件目錄中選擇所用模塊，將其插入到機架中指定的槽位。分別將電源模塊“PS307 10A”、CPU模塊“CPU 317-2DP”、32路輸入模塊“DI32×DC24V”、32路輸出模塊“DO32×DC24V/0.5A”、通信模塊“CP343-1”分別插入1、2、4、5、6號槽。3號槽是留給IM接口模塊的，本實驗中硬件系統是單機架系統，所以不用IM接口模塊。CPU 317-2DP本身有PROFIBUS DP通信端口，在其上新建一個PROFIBUS網絡“PROFIBUS（1）：DP主站系統（1）”。通過雙擊上述5個模塊，彈出屬性對話框，在其中可以進行模塊參數的設置。組態結束后，編譯并保存。啟動PLCSIM，運行狀態為“STOP”，點擊HW Config界面中的下載箭頭，將上述組態信息下載到CPU模塊，組態仿真見圖2。

模擬量輸入仿真實驗：模擬量輸入是將工業現場的溫度、壓力等傳感器輸出的模擬量通過PLC的模擬量輸入模塊，將模擬量轉換為數字量后送入CPU模塊進行處理。步驟如下：硬件組態，在硬件目錄中選好電源、CPU模塊，然后選擇SM331 AI2×12Bit模擬量輸入模塊，該模塊有兩路12位的A/D轉換通道。然后在程序中編輯一條梯形圖語句，在程序界面左側的程序元素中選擇“庫 ＼ Standard library ”中的塊FC 105。該功能塊接受一個整型值（IN），并將其轉換為以工程單位表示的介于下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）之間的實型值。該實驗程序直接將模擬量通道PIW304的值輸入到FC 105，輸出轉換。該條語句中輸入端（IN）接模擬量輸入地址PIW304，下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）值分別為0和100，輸入信號極性（BIPOLAR）設為1，表示雙極性。轉換輸出結果存放于地址DB200.DBD12中。運行PLCSIM，建立變量PIW304和DB200.DBD12，改變PIW304的值，可以觀察到DB200.DBD12中轉換結果的變化。程序及仿真運行見圖3。

中斷實驗仿真：S7-300CPU的中斷調用以組織塊形式出現，包括硬件中斷和定時器中斷。這里給出硬件中斷的實驗，硬件中斷用于快速響應信號模塊，如輸入/輸出模塊SM的信號變化。具有硬件中斷功能的信號模塊將中斷信號傳送到CPU時，將觸發硬件中斷。步驟如下：如前所述，硬件組態在硬件目錄中選好電源、CPU模塊，然后選擇SM321 DI 16xNAMUR數字量輸入模塊。該模塊的每個輸入端都支持上升沿和下降沿中斷，在該模塊硬件屬性對話框中分別選擇I0.0和I0.1為上升沿觸發中斷與下降沿觸發中斷。組態結束，編譯下載。在主程序OB1中編輯兩條語句：分別調用系統功能塊SFC40和SFC39。SFC40的作用是使能系統中斷，SFC39的作用是禁止系統中斷。第一條語句I0.2用來調用SFC40，第二條語句I0.3用來調用SFC39，這樣通過開/關I0.2和I0.3可以使能/禁止系統中斷。編譯并下載該程序塊，啟動PLCSIM，使其運行狀態為“RUN”，在其菜單命令“執行”→“觸發錯誤OB”→“硬件中斷（OB40-47）”。打開該對話框，在“模塊地址”內輸入模塊地址0，在“模塊狀態”（POINT_ADDR）內輸入模塊位地址0。然后點擊“應用”按鈕，觸發I0.0 的上升沿中斷。CPU調用中斷程序OB40，Q4.0輸出為1；將模塊位地址（POINT_ADDR）改為1，對應I0.1產生的下降沿中斷，點擊“應用”按鈕，觸發I0.1 的下降沿中斷，Q4.0輸出為0。程序及仿真運行見圖4。

四、結語

可編程控制器技術是一門理論與實踐結合緊密的課程。該門類課程是在理論知識學習之后，內容涉及到實際生產的應用。如何在有限學時和教學資源條件下，高質量地實現課程的培養目標是需要研究和探索的。本文對可編程控制器技術的教學方式進行了探討：在理論教學環節引入程序仿真運行，以單條指令功能演示為例，在課堂中除了指令功能講解之外，演示這些指令的執行結果可以讓學生對該內容有更好的理解。同時，順序控制、功能塊和功能的程序運行與調用關系也可以按這種方式進行課堂教學演示，這樣可以給出程序在運行過程中變量的直觀變化，加深學生對程序結構的認識；實驗環節中，在現有實驗條件基礎上充分利用仿真軟件環境開拓實驗內容，進行了與硬件設備關系緊密的組態、模擬量輸入和中斷的仿真實驗。模擬量輸入仿真實驗可以進行所有型號的AI模塊輸入和數據轉換實驗，不局限于實驗室僅有的模擬量輸入模塊。硬件中斷實驗也是如此，可以進行所有型號的硬件中斷模擬實驗，加深學生對硬件中斷的理解，有助于掌握中斷程序的執行過程。

參考文獻：

[1]陳永強，全成斌.硬件模擬實驗系統設計[J].計算機教育，2013，

（23）：124-126.

[2]吳作明，杜明星.深入淺出西門子STEP7[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC應用教程[M].北京：機械工業出版社，

2013.

[4]廖常初.跟我動手學S7-300/400PLC[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5]陳海霞.西門子S7-300/400PLC編程技術及工程應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

（責任編輯：王祝萍）