《可編程控制技術》教學策略研究

游超超 劉應乾

摘? 要：《可編程控制技術》課程即PLC是控制類、電氣類和自動化類等專業的必修課程，是一門具有很強的邏輯性、應用性與操作性的專業課程。為了實現良好的教學質量，提高學生學習的興趣，讓學生更好的學會應用該課程，適應當前應用型人才的培養目的，在教學過程中引入專業案例，通過對案例的整體設計來學習相關課程知識，掌握可編程控制技術的相關理論及應用知識。

關鍵詞：可編程控制技術? 實例教學? 自動化監控系統? 應用型人才

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0235-03

Abstract： The "Programmable Control Technology" course， is a compulsory course for majors in control， electrical， and automation. It is a professional course with strong logic， application and operability. In order to achieve good teaching quality， increase students interest in learning， enable students to better learn to apply the course， to adapt to the current purpose of training applied talents， introduce professional cases in the teaching process， and learn related courses through the overall design of cases knowledge， master the relevant theory and application knowledge of programmable control technology.

Key Words： Programmable control technology; Example teaching; Automatic monitoring system; Applied talent

《可編程控制技術》是控制類及電氣工程類和自動化類專業學生的必修課程，具有很強的實用價值，在學習的過程中具有很強的邏輯性、連貫性及應用性。傳統教學習慣于用講授法，根據課本內容給學生灌輸書本上的知識，忽略了PLC應用性和邏輯性強的特點，使學生僅僅掌握相關理論知識，沒有實際應用的概念及能力，不理解學習本門課程的目的，不會具體到實際中的應用方法，因而學生的學習效果不佳，理解深度欠缺，不利于后期課程及畢業設計等等的繼續應用。

1? 實例教學在《可編程控制技術》中的應用

考慮到傳統教學方法的不足之處，在教學可編程控制技術的過程中，引入工業設計實例，結合實例進行講解。在這里，引入一個中小型水電站自動化監控系統的工程實例。我國的水資源較豐富，適宜于開發水電，特別是中小型水電站。而且當今隨著計算機的發展，計算機監控系統優勢越來越大，可以能夠準確而迅速地反映出水電站主要設備運行的狀態。隨著科技水平的提高，實現水電站的自動化監控，計算機監控有著越來越重要的作用，計算機監控已經成為了實現水電站自動化監控的必要條件。結合小型水電站的實際情況，分析研究一套通過PLC進行控制的計算機監控系統，在可編程控制技術中，對此小型水電站的計算機監控系統進行系統的學習，將此實例貫穿于整個可編程控制技術的教學過程中。通過整個小型水電站計算機監控系統的學習，掌握PLC在系統中的實際應用，將PLC的相關理論知識進行講解。

1.1 實例導入

為了研究及應用小型水電站自動化監控系統，實現小型水電站數據的自動化監測和控制功能，應用PLC對小型水電站自動化監控系統進行整體的控制設計。那么在這里提出問題，什么是可編程控制技術？在此小型水電站自動化監控系統中，PLC起到的是什么作用？在監控過程中需要控制的有哪些方面，而PLC在系統中應如何應用，如何去選擇合適的PLC型號，如何配置PLC，需要先進行什么設計，如何進行軟件的編程和參數的設定等等。通過這些問題的提出，使學生在心中先有一個整體的目標性，帶著疑問，帶著為了去解決既定目的的心態學習課程，先給學生建立目標意識，讓學生知道為什么學習此門課程。

1.2 教學過程

為讓學生對小型水電站自動化監控系統有一定的了解，首先對此自動化監控系統進行簡單的介紹。為了適應水電站的供電的需要，提高水電站的發電質量，實現水電站設備的安全穩定運行，對水電站總突發事件及時準確的反應，需要對整個小型水電站進行實時的全方位的監控。計算機監控系統工作原理可以用三個步驟來概括。一是采集具有實效性的數據，以實現對發電系統的實時監控及對突發事件的應急處理。在這種日常的生活、生產過程中，被控量通過測量裝置傳送到轉換器再送到控制系統，這是控制器控制計算機必須實施的檢測，同時輸入被控量的瞬時值控制決策要實時。二是控制器要進行有效的分析處理，控制其在接收到轉換器送達的信號時，控制器需要對實時信號進行分析處理，按照控制器的控制規律下達有效的控制命令。三是需要具有有效的控制輸出，根據控制器的控制決策控制信號執行，到達執行器完成執行任務。

計算機控制系統由硬件和軟件兩部分組成，包括傳感器、控制器、執行器、電氣開關等設備。

控制系統主要由三級控制系統組成，第一級為本地控制級，主要由四個模塊組成，每個模塊都有自己單獨的本地控制單元;每個機組現地控制單元自動設置，使用PLC可以得到不同的控制指令，并對給定的狀態和參數進行實時記錄。從中央控制電源設備的上層，保證機組的實時控制。在第二層，即電廠控制層，最重要的是在線監控系統實時監控三個現有的電廠和一臺附加水電機組的運行情況;第三層是遠程網頁瀏覽和控制層，是需要完成的最重要的遠程監控和規劃項目。為實現小型水電站自動化監控系統，其自動控制系統硬件部分將采用PLC來進行控制，在此系統中，PLC主要用到其3個工作階段，即輸出采樣、用戶程序執行和輸出刷新這3個階段。要想實現該系統，其首要任務是選取合適的PLC型號來實現系統的控制，那么要如何進行PLC的選型？在選擇PLC型號時需要考慮從哪幾方面考慮呢？首先，就需要對PLC的相關概念及其結構組成等進行學習。因此，可以通過本例題引出課程的第一個內容，講解PLC的相關概念、結構、分類、發展等等。PLC就相當于人的大腦，可以識別和處理接收到的數字信號，并通過程序的編寫，對信號進行邏輯、順序、算數等等不同的運算，通過對PLC的合理設計應用，實現整個系統的整體控制。PLC有中央處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出（I/O）、電源等結構組成。對應PLC的結構圖，對PLC的每一部分進行講解，使學生對PLC的概念和結構有一定的掌握，也明白在PLC進行選型時需要注意在哪幾方面進行選擇。

考慮PLC的I/O輸入輸出點數，首先確定需要的I/O點數從而確定控制設備的要求，并以I/O點數的總和為實驗基礎。通常根據我們統計需要的點數，以15%～25%的可擴展的范圍增加輸入輸出點，根據所統計的數據來選擇PLC型號。其次需要對PLC的處理器，主存儲器容量，供電電壓等等進行選擇確定。結合該系統中PLC的應用條件，PLC需要實現的控制功能，系統對PLC的要求等對PLC的型號進行選擇。讓學生對PLC有一個初步的認識，將PLC的基本結構對應于選型時需要滿足的各方面的條件，試著去根據系統的實際應用來選定PLC的型號。

在選定完PLC型號之后，要思考要想實現小型水電站自動控制系統，整個系統中還包括什么設備，還需要進行什么操作，而PLC作為核心控制部件，在其中起到什么作用，如何進行系統各部分之間的連接，PLC是如何獲取現場數據，如何對現場數據進行處理，如何產生控制信號，如何將控制信號傳遞出去對系統實現控制的，又是如何設置PLC來實現其既定作用的。因此可以提出問題，引出對整個系統設計步驟、連接方式、信號傳輸方式及數據處理等等的相關知識。

在此，可將系統中不是本門課程中相關知識的內容加以介紹。系統總體設計方案主要分為硬件方案設計部分和軟件方案設計部分，系統的硬件主要組成包括PLC、執行器、電氣開關、水電機組、現場傳感器模塊、機組調速裝置及其他智能調節裝置等。系統主要通過PLC結合各個模塊進行水電站的各部分監測及控制，各類傳感器將采集到的各種信息傳送給PLC進行處理，PLC將監測當前水位，流量，機組運行情況，發電情況等實時狀況。從給出的系統設計可以看出，PLC在系統中起到一個整體控制的作用，那如何利用PLC來接收信息，處理信息，并對相關的信息進行檢測和實時控制呢？在此，就可以引出PLC的工作過程，首先對PLC的輸入采樣階段進行講解，讓學生對整個輸入采樣階段的工作過程，輸入信號的寬度，掃描周期等知識進行詳細系統的學習，使學生明白如何設置才可以確保在任何情況下都有數據的輸入，保證正確的采樣。其次，對PLC的用戶程序階段進行講解。在這里，可以引入PLC相應的功能指令，PLC的編程技術，PLC梯形圖的設計編寫。對應講解課本相關理論知識，讓學生學會PLC梯形圖的繪制以及PLC的編程設計。使學生學會可編程控制器梯形圖的執行過程，明白梯形圖的運行順序，從上到下，從左到右。從整個形態的設計學習過程中，真正明白學習PLC梯形圖編程的作用及根據實際情況分析、抽象編寫程序的步驟及方法。然后，對PLC的輸出刷新階段進行講解。當所有指令執行完畢后，寄存器中所有輸出繼電器的狀態將在此階段轉存到輸出鎖存器中，通過輸出端子和外部電源，驅動外部負載。在完成一次系統的監測與控制掃描之后，如何才可以實現系統的連續不間斷運行，則需要對可編程控制器進行輸出更新，將之前得到的狀態數據進行傳輸，開始新的監測。

在此之后，提問在此小型水電站的自動化監控系統中，系統軟件用什么編程軟件進行編程？又如何實現可編程控制器的通信及網絡設置呢？因此引出對PLC編程軟件的介紹。在學生學習了PLC功能指令及編程技術的基礎上，將其在編程軟件上實現對系統的控制。并通過通信及網絡設置，使所編寫的程序可以實際應用去控制系統的運行。讓學生試著自己去運用編程軟件去編寫系統的控制程序。可以對整個系統進行一定的細分，比如分為檢測發電機是否正常運行的模塊，發電信號的接收處理模塊，特殊情況的檢測處理模塊等等，讓學生首先掌握小模塊的系統設計，最后實現系統的整體設計。

學習到這里，PLC的相關理論知識基本講解完成，且在整個實例系統的引入，實現小型水電站自動化監控系統的過程中，根據整個系統的建立及分析方法，學生學習過程中的每一個知識點都有對應于實際系統應用的作用，因此，學生在學習過程中已經對PLC控制系統的設計步驟及使用有了一個較完整的概念。

1.3 課程總結

在本門課程中，開始就直接給到學生一個完整小型水電站自動化監控系統的設計為學習課程的目標，通過設計系統所需要的知識，從系統設計開始，引出課本中的相關理論知識，最后將所學的知識應用到系統的設計中去，使學生從開始學習就有目的性，目標性，讓整個可編程控制課程中的知識點連貫起來，最終去解決實際問題，充分調動學生學習的積極性，增加學生理論知識轉化為實用的能力。

2? 結語

本文根據現階段大學需要培養應用型人才的目標，為了解決學生在學習《可編程控制技術》時，知識復雜，缺乏連貫性，學生沒有目的性等特點，在課程開始時即引入一個完整的小型水電站自動化監控系統實例，先讓學生對課程的用途有了一個詳細直觀的了解，通過實現系統的控制所需要的與PLC相關的知識引出，講解并應用于系統，使學生每一步的學習都有連貫性，目的性，實用性，從而增加了學習的興趣，也掌握了理論知識轉化為實用能力的方法。

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