如何在教學中加強PLC的計算機屬性

陳正泉

摘 要 PLC作為自動化技術專業的核心課程，許多學生學習后對PLC的理解僅僅停留在開關量的邏輯控制層面上，形成PLC控制就是取代繼電器控制的片面認識。本文通過對課程內容編排、銜接、教學內容設計與呈現等幾方面的探討，力爭使學習者形成對PLC作為工業智能控制領域重要一員的全面認識：PLC既可以取代原有的繼電器，實現邏輯控制，又具備計算機的數據處理和通信功能，從而更好地學習和應用PLC。

關鍵詞 PLC 自動化 繼電器控制 計算機

0 前言

目前，很多教材都將PLC與電氣控制組合在一起，學校的教學亦是把PLC與電氣控制合并來組織教學，這樣帶來的益處是學生在掌握繼電器控制的基礎上很容易理解PLC的開關量的邏輯控制功能，帶來的弊端是學生會形成PLC僅僅是取代繼電器實現邏輯控制的思維定勢，而忽略了其作為工業控制計算機的屬性。因此，如何在教材編著、教學內容編排、課程銜接和教學過程呈現上，讓學生在起步階段就形成對PLC全面、正確的認識，為最終了解和掌握PLC全部屬性與功能，從而建立起這樣的認識：“PLC不僅僅是字面上的可編程邏輯控制器，而是實質上的中小型工業控制計算機，自然具有計算機屬性”，是我們每個從事PLC教學的人需要思考的問題。

1 通過課程銜接和內容編排明確PLC計算機屬性的教學

將電氣控制與PLC的教材單獨成冊，在安排PLC這門課的教學之前，必須先期安排電氣控制、電機與拖動、計算機控制技術或者單片機的課程教學，這樣保證學生在學習PLC這門課之前具備電氣控制和計算機控制的相關知識。教學中，在講授PLC有關開關量的邏輯控制內容時，融合電氣控制的相關內容；在數據運算與處理部分融合計算機相關知識。這樣，一方面可以加深學生對電氣控制知識的進一步升華和拓展，另一方面也加強了學生對PLC的計算機屬性的理解，有利于學生形成對PLC的全面認識和深刻理解，為用好PLC奠定全面的知識結構。

2 在自動化控制領域中剖析PLC的計算機屬性

把PLC放在自動化控制領域作為學習對象，既能加深學生對自動化控制系統的整體認識，形成系統解決工控問題初步概念，又能幫助學生全面了解PLC在其中所處位置和承擔的角色，形成對PLC的全面認識。

現代工業自動化主要由PLC、工控機、現場總線和工業以太網構成，為適應工業4.0的發展要求，一方面，硬件著力于高速運算、大容量、快速數據處理與傳輸以及更加開放、友好的界面；另一方面，控制軟件從底層的數據采集、邏輯運算發展到高層的人機圖形界面（HMI）。未來將基于分布式網絡結構融合企業資源規劃（ERP）和制造資源規劃（MRP），構建一個全新的智能控制。在工業自動化系統分布式網絡結構的典型構造中，底層是設備、PLC的遠程I/O點和現場總線構建的設備層；中間是PLC、工控機、操作員界面以及基于CAN技術而構建的控制層網絡，上層是由基于Ethernet和PC或工作站構建的信息管理與服務層。[2]可見，PLC和工業控制計算機均是現代工業控制最重要的數字控制裝置。早期的PLC的確是為順序控制而專門設計制造的，采用專門設計的硬件，通過控制程序實現對控制對象的自動控制；而工業控制計算機則是在普通計算機的基礎上，針對工業現場的環境要求，對計算機的硬件進行相應的改進，使其在保持計算機原有優點的基礎上適應工業現場的要求。與工控機相比，PLC具有高可靠性，強抗干擾能力，I/O 接口豐富，更加通用的模塊化設計，安裝簡單、維修方便，編程簡單易學等諸多優勢，因此PLC比工控機在工業現場的使用更為廣泛。起初PLC和工控機定位在不同的應用層面，PLC的容量和運算，特別是數據處理能力比工控機要差一些，而適應工業現場環境較好，因此，在中小型自動化項目上PLC的性價比和實用性更高，在大型項目上PLC常常作為工控機的下位機，但二者的發展已大大超過其當初的技術水平，因此這種定位也不再絕對。隨著智能控制的發展，PLC與工業控制計算機在保留自身特點的同時也在相互促進與融合，角色的區分也越來越模糊，換言之，現在的PLC就是一個專門的工業控制計算機，具有計算機的普遍屬性。

3 通過PLC的工作原理解析其計算機屬性

在PLC教學中我們普遍存在重PLC的指令教學，而不太注重對PLC工作原理的講解，客觀上弱化了PLC計算機屬性的教學，現在看來在重視指令教學的同時加強PLC工作原理的剖析十分必要。

PLC的硬件結構基本上與微型計算機相同。其工作原理與普通計算機也相類似，只是工作方式不同。計算機采用的是“等待輸入”工作方式，即有相關輸入后，計算機才有相應的響應處理，否則一直處于等待狀態；換言之，只有發生鍵盤、鼠標操作的輸入或者I/O中斷的觸發，計算機的操作系統才會轉入到相應的程序處理，程序執行完畢，又恢復到等待輸入的狀態。而PLC則采用的是“對I/O操作、數據處理等的循環掃描”工作方式，PLC按照用戶程序的存入順序，從第一條指令順序執行，中間除非有中斷或跳轉命令才執行中斷或跳轉處理，執行中斷或跳轉完成后，又回到中斷或跳轉點繼續順序執行剩余程序，直至讀到程序結束符后又返回到第一條指令，如此周而復始地不斷循環執行程序。

4 加強類似計算機語言編程方式的教學，使學生直接感知PLC的計算機屬性

因為PLC一開始就針對取代繼電器控制而誕生，其使用對象也往往是不具備計算機基礎知識老一代電氣技術人員。而今作為未來電氣技術的從業者，應該具備根據控制對象，及程序的執行效率去選擇編程語言方式的能力，因此，不能局限于僅僅會使用梯形圖的編程方式，而且通過諸如指令表的編程方式的訓練也能使學生增強對PLC本質上是一種專用于工業控制的計算機的認識。

PLC的編程語言豐富，有梯形圖、指令表、順序功能圖、狀態轉移圖、邏輯功能圖和高級語言等多種編程方式。梯形圖采用類似于電氣控制中的繼電器、接觸器等圖形符號，以傳統電氣控制電路的方式來表達，具有形象、簡單直觀、易學易懂等特點，無需計算機編程基礎，深受傳統電氣控制技術人員的喜歡。指令表與計算機匯編語言相類似，將控制流程用帶有助記符的操作指令組成語句來表達。順序功能圖采用IEC標準的SFC（Sequential Function Chart）語言方式，常用于編寫復雜的順控程序。狀態轉移圖與順序功能圖類似，對于復雜的順控系統，編程比狀態轉移圖更簡約。邏輯功能圖采用類似于數字電路中的邏輯門和邏輯框圖來表達，通常一個運算框圖表示一種功能，最常見的控制邏輯也是“與”、“或”、“非”。高級語言是近期才開發出來的，可像使用PC機一樣使用高級語言對PLC進行編程操作。

5 按操作指令的屬性分類教學，增加計算機屬性類的指令教學

按照操作指令的屬性將其分為開關量的邏輯控制、數據運算與處理、通信與網絡三個板塊，分類實施，使學生通過指令學習與操作，形成清晰、全面的認識。開關量的邏輯控制側重于傳統的繼電器控制，而數據運算與處理、通信與網絡控制更能體現PLC作為計算機控制的一面。

5.1 開關量的邏輯控制

開關量的邏輯控制是PLC最基本的功能，可代替傳統的繼電器控制，實現邏輯控制與順序控制。主要通過位邏輯指令、定時器和計數器指令實現上述功能。廣泛應用于各行各業的單機控制、多機群控制和生產線控制。實訓中常采用的教學項目如多級皮帶輸送機、多液體混合攪拌控制，正是采用開關量的邏輯控制功能實現的。

5.2 數據運算與處理

現代PLC和計算機一樣具有：數據傳送、數據轉換、比較、移位、排序、查表以及數學運算等數據運算和處理功能；中斷、跳轉、循環、調用子程序等程序控制功能；數據塊和字符串處理功能；高速計數和脈沖輸出功能。這些指令完全展現了PLC作為計算機的一面，可以實現運動控制：如伺服電機的單軸或多軸位置控制；也廣泛應用于過程控制：對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制包括PID調節等等，實際教學中常采用項目如數控雕刻機工作臺，變頻恒壓供水來加強這方面的實踐教學。

5.3 通信與聯網

PLC通信包括PLC相互之間的通信，以及PLC與其它智能設備之間的通信，通信方式以現場總線和工業以太網為主。雖然各PLC制造廠商在國際標準化組織的協調和指導下，均開發了開放和兼容其他廠商的網絡接口，但不同品牌PLC的通信指令有其自身特點，目前的教學以西門子和三菱為主。

6 結論

通過教材編著、教學內容編排、課程銜接、教學內容呈現，在原有單純繼電器控制教學方式的基礎上，加強對PLC的計算機屬性教學，幫助學生掌握PLC全部屬性與功能，形成全面正確的認識。當然，在教學中加PLC的計算機屬性絕不是厚此薄彼，并非PLC的開關量的邏輯控制教學不重要，只是針對學習者的反饋做某種程度的糾偏而已，給學習者一個全面正確的認識，從而不斷完善我們的教學。

參考文獻

[1] 廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2015.1-18.

[2] 郭瓊，姚曉寧.現場總線技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2014.2-8.

[3] 于海生.計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2016.