淺談經驗設計法在中職PLC教學中的應用

楊鷺蕓

[摘 要] 根據學生原有的繼電器控制系統知識，引入經驗設計法，通過實例分析，介紹了經驗設計法在PLC教學上的應用。

[關 鍵 詞] 經驗設計法；中職；PLC

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）35-0156-02

可編程序控制器（簡稱PLC），優點多，應用廣泛，是各中職院校電氣自動化專業的一門主干課程。課程的學習在于使學生理解PLC的工作原理，在掌握PLC基礎知識、PLC指令系統的同時能獨立分析、修改、編寫簡單的程序。其中，讀懂、理解程序并能夠進行分析是中職PLC教學環節中的重點，在此基礎上才能進行程序的設計和修改。中職學生相對來說學習基礎差，學習態度也比較消極，而PLC技術于他們來說又是一門全新的課程。因此，在教學中要取得好的教學效果在于采用合適的教學方法，由淺入深、循序漸進。筆者通過兩年的教學實踐發現，在中職PLC教學中引入經驗設計法，可以讓學生較快入門，對指令的應用、梯形圖的功能有了更直觀、更深入的認識。下面，淺談經驗設計法在中職PLC教學中的應用。

一、經驗設計法

經驗設計法是PLC教學中常用的一種程序設計方法。在PLC的發展初期，梯形圖的設計主要沿用繼電器控制系統中電路圖的設計方法，這種方法顧名思義需要編程者具有一定的經驗，需要編程者掌握大量的典型電路，并且在掌握這些典型電路的基礎上，通過對實際控制問題的分析，再進行修改和完善。而學生在此之前已經學習了電力拖動課程，掌握了繼電器控制系統的相關知識，積累了一定的“經驗”，掌握了基礎的典型控制電路。下面就以“電動機正反轉控制”及“Y/Δ降壓起動控制”這兩個典型案例介紹經驗設計法在教學上的應用。

二、典型案例

（一）電動機正反轉控制

1.繼電器控制系統

圖1主回路中，若KM1主觸頭接通，則電動機正轉。若KM2主觸頭接通，U、W兩相相序對調，電動機反轉。同時，在圖1控制電路中采用了互鎖方式，防止KM1、KM2兩個接觸器同時接通電源，造成兩相電源短路。此控制系統中，正反轉按鈕與接觸器之間的邏輯關系是由它們之間相連的導線來實現的，在以往的學習中，學生已經能夠熟練分析出電路的控制功能。

2.PLC控制系統

PLC采用歐姆龍CPM2A機型。完整的PLC控制系統包含：PLC接線圖、I/O口分配表、梯形圖。其中主電路不變，同樣采用兩個接觸器KM1和KM2的主觸點接入電動機。PLC接線圖中使用24V直流電源將三個按鈕SB1、SB2、SB3和熱過載繼電器FR常開觸點接入PLC的四個輸入端0.00、0.01、0.02、0.03，與圖1控制電路一一對應。同樣的，圖2中PLC接線圖的輸出部分10.00和10.01分別接了兩個接觸器線圈KM1和KM2，并設置了硬件互鎖，這也與圖1相對應，個中規律，學生一目了然。根據PLC接線圖再寫出輸入/輸出分配表（即I/O口分配表）便水到渠成了。

電動機正反轉I/O口分配表

在PLC控制系統里，存儲在PLC內的用戶程序決定著輸入、輸出信號之間的邏輯關系。換句話說，如果想要輸出端接觸器動作，完成正反轉控制功能，則必須編寫電動機正反轉程序。梯形圖是PLC中使用得最多的編程語言，它的特點在于與繼電器控制系統的控制電路圖很相似，對初學的中職學生來說，直接將控制電路圖“翻譯”成梯形圖是PLC學習初期最簡單、最直接、也是最容易掌握的編程方法。

“翻譯”過程如圖3所示，這種“翻譯”對學生來說簡單、好理解，只需把繼電器電氣符號改成PLC電氣符號（其中線圈用表示，常開觸點用表示，常閉觸點用表示），然后再進行調整。也就是將上表中的I/O口分配表中相應的輸入、輸出地址補充進去，一份完整的電動機正反轉梯形圖便出來了。梯形圖程序的工作過程如下：按下SB2，常開觸點0.01接通，輸出線圈10.00上電并自鎖，接觸器KM1得電，其主觸點閉合，電機正轉。與此同時，常閉觸點10.00斷開，以確保10.01不能得電，實行軟件互鎖。若按下SB3，常開觸點0.02閉合，輸出線圈10.01被驅動，并自鎖，接觸器KM2得電，其主觸點閉合，電機反轉。與此同時，常閉觸點10.01斷開，以確保10.00不能得電，實行軟件互鎖。停機時按下SB1，常閉觸點0.00斷開，過載時熱繼電器FR閉合，常閉觸點0.03斷開，這兩種情況都能使輸出繼電器10.00或10.01失電，從而導致KM1和KM2失電，電動機停轉。

通過這個“翻譯”過程，學生很容易找出其中的竅門，也能夠一步步分析出梯形圖的功能，對可編程控制器的工作原理有了初步的理解，即，輸入端的按鈕按下后，通過執行存儲器內部的正反轉程序，CPU發出控制命令，使輸出端的接觸器動作，實現正反轉控制功能。學生在理解的同時也提高了學習興趣和信心。

（二）Y/Δ降壓起動控制

1.繼電器控制系統

圖4主電路中，當KMY主觸頭閉合，電動機繞組以Y形方式連接；當KM△主觸頭閉合，電動機繞組以△方式連接。按下起動按鈕SB2，電動機先以星形接法降壓啟動，然后再轉換成△接法全壓運行。

2.PLC控制系統

圖4電路中需要用到時間繼電器KT，屬于通電延時型，而CPM2A內部的定時器也相當于通電延時型，可直接替換，但沒有具體的實物接線。PLC定時器與繼電器控制系統中的時間繼電器相比有很多優勢：首先，它在PLC內部，多個使用時不需要考慮接線問題；其次，每一個定時器的常開、常閉延時觸點可以任意使用，而時間繼電器的常開、常閉延時觸點是有限的。學生通過控制電路圖與梯形圖的轉換，在理解程序功能的基礎上能夠更加清楚地體會兩者之間的對比，從而幫助學生掌握PLC中定時器在編程中的使用。

根據前面所介紹的“翻譯”步驟，學生很容易可以得到Y/Δ降壓起動控制PLC接線圖、I/O口分配表和梯形圖。其中PLC接線圖、I/O口分配表這里不再一一列出，而梯形圖如圖5所示，具體操作過程為：按下起動按鈕，輸入點0.02接通，輸出線圈10.00、10.01上電并自鎖，接觸器KM、KMY得電，主電路中相應的主觸頭閉合，電動機定子繞組在Y形連接下降壓啟動。同時定時器TIM000啟動，開始定時，經過2秒后，T0常閉觸點繼開，切斷輸出線圈10.01，KMY失電，主觸頭斷開，切斷降壓啟動回路；T0常開觸點閉合，輸出線圈10.02上電，KM△得電，主觸頭閉合，電動機定子繞組在△連接下全壓運行。停車時按下SB1，梯形圖中0.00斷開，或者電路發生過載時，梯形圖中0.02斷開，接觸器KM和KM△失電，主觸點斷開，電動機停止運轉。

三、教學重點與難點

以上兩個案例中，教師可進一步拓展知識點，比如電動機的正反轉控制，也可用SET、RSET指令或者KEEP指令來完成；比如電動機的Y/Δ降壓起動，也可使用其他的控制方案。經驗法教學的重點在于學生通過“翻譯”過程理解PLC控制系統的組成、工作原理、梯形圖程序的編寫規則、指令系統的綜合應用、編程思維的建立。而教學的難點在于“翻譯”得出的梯形圖并非是最簡的，學生必須根據實際應用系統的要求進一步修改與完善，隨著學習的不斷深入、經驗的不斷積累，逐步進行一些簡單程序的設計。

總之，經驗設計法可以在學生繼電器控制思想的基礎上逐漸引入PLC的編程思想，過渡性小，學生易于接受，這種方法適用于較簡單的控制系統和復雜控制系統的部分程序，對初學者是必備的一項編程技能。筆者通過兩年的實踐，在中級工學生的PLC教學上取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]戴一平.可編程控制器技術與應用（歐姆龍機型）[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2]戴一平.可編程控制器技術訓練與拓展[M].北京：機械工業出版社，2016.