電路狀態展示教具制作

楊常秀

（廣西賀州高級技工學校，廣西賀州 542899）

1 教具成品制作

如圖1所示，此教具是一個完整的電路，包括電源（空氣開關）、導線（LED 燈帶模擬代替）、控制開關（家用常見按鍵開關）、負載（LED 燈）四個部分構成。在面板上的實物分別是空氣開關QF，燈帶一共3節，普通家用開關，E27螺口燈座及LED 燈泡，還有一張對應的電路原理圖。

圖1 電路工作狀態展示教具的實物圖

利用一塊制作廣告的泡沫白板，分別將型號為DZ47LE 的2P 漏電空氣開關置于面板上的開孔處，三段220 V 的LED 燈帶粘貼在面板上，家用開關、螺口E27燈座用雙面膠粘貼于面板上，并在燈座上擰上220 V 的LED 燈HL。電源線、三段燈帶、控制開關、燈座的線通過在面板上開孔后，接到面板后面的型號為三菱PLC2N-48MR 的PLC 的相應輸入輸出端口。燈帶完整電路的工作狀態包括：開路、通路、接觸不良、短路四個狀態。

其中只有開路、通路是正常狀態，接觸不良、短路都是不正常狀態，要避免出現。尤其是短路狀態，在現實中危害是比較大的，通過展示教具可以達到突出強調的作用。本教具具有將電路狀態進行動態演示的效果。讓學生通過觀看并由老師解釋后能輕松掌握電路的基本組成、四種工作狀態及其特點，達到教具應該具備的促進教學開展的效果。并且該電路工作狀態展示教具整個工作流程是用PLC 控制的，可以根據實際教學情況隨時改編程序達到所期待的教學效果。

2 教具控制要求及工作原理

空氣開關QF 至開關SA 這一節燈帶標為燈帶1，開關處于斷開狀態時，只要空氣開關閉合，在連接好外部電源的情況下，這節燈帶1是常亮狀態，表示這段導線已經有電壓，此時電路處于開路狀態，也是正常的工作狀態。

（1）按下開關SA，燈常亮，開關至燈之間這節燈帶是燈帶2，燈至電源零線端是燈帶3。燈常亮，燈帶1、燈帶2、燈帶3按流水燈的形式亮，說明電路處于通路狀態，電流在線路中由L 流向N。這時的工作狀態是正常的狀態。斷開開關后電路恢復到開路狀態。

（2）按下開關SA，燈、燈帶1、燈帶2、燈帶3都處于閃爍狀態，此時表示電路處于接觸不良的狀態，電路中電流時有時無。這種狀態是不正常的，在實際生活中存在的，是一種不正常的故障狀態。斷開開關后，電路恢復到開路狀態。

（3）按下開關SA，燈不亮，只有燈帶1、燈帶2、燈帶3流水狀亮一次后空氣開關QF 跳閘，說明電路處于短路狀態。此時是非常不正常的，在實際中如果沒有空氣開關和熔斷器可能會出現燒線路而引發火災可能的故障狀態，一定要避免出現。斷開開關，空氣開關重新合上后電路恢復到開路狀態。至此電路工作的四個狀態演示完畢，再次按下開關SA 后可以重復以上操作。

3 PLC控制原理及程序設計和下載調試

3.1 控制原理

圖2是狀態流程，主要分成5個部分。

圖2 狀態流程

（1）程序的初始化狀態，主要是在此狀態下不能有輸出及進行計數器清零。

（2）開路狀態，只有燈帶1是常亮。

（3）通路狀態，燈常亮，燈帶1、燈帶2、燈帶3流水燈狀態亮。

（4）接觸不良狀態，燈帶1、燈帶2、燈帶3、燈都是閃亮狀態。

（5）短路狀態，燈不亮，燈帶1、燈帶2、燈帶3流水亮一次后空氣開關跳閘。

狀態流程圖清晰地展示了各部分之間的跳轉關系。狀態流程圖的編程思路是在PLC 教學過程中教師要著重交給學生的編程思維，該教具的程序編寫部分也可以改編成為一個學習任務，讓2年級的學生在PLC 實訓課上進行實施，可以加深學生對電工基礎知識的理解。狀態流程圖既方便編程，同時在調試階段也易于查找需要更改的部分程序。

3.2 I/O地址分配

I/O 分配表需要在編程之前分配好，只有分配好地址，才能明確輸入輸出的實際意義。輸入量只有開關X0，空氣開關X1；輸出量有燈Y0（HL），燈帶Y1（HL1），燈帶Y2（HL2），燈帶Y3（HL3），燈HL4（Y10）。具體I/O 地址分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配

3.3 外部接線圖

此教具外部接線原理如圖3所示，空氣開關QF合上之后，PLC 接通電源通電，同時輸入端X1經空氣開關的N 線路到COM 形成閉合回路，用于控制燈帶HL1的輸入信號。X0與開關SA 串聯，用于控制燈的狀態切換的輸入信號。Y0輸出用于控制燈HL，Y1輸出用于控制燈帶HL1，Y2用于控制燈帶HL2，Y3 用于控制燈帶HL3，Y10 用于控制燈HL4。當Y10有輸出時，燈HL4亮起的電流只流過空氣開關的N，電流不平衡，經過空氣開關QF 放大機構放大，空氣開關跳閘，模擬短路情況。

圖3 PLC外部接線

3.4 程序設計

圖4是設計并安裝調試成功的程序。程序解釋具體如下：0步開始是計數器計數滿3次后C0接通，并在開關SA 斷開瞬間清零。5步開始是開關SA 通電瞬間計數器C0計數一次，記滿3次后不再計數，同時需要在0步條件時清零后才能重新計數。10步開始是在空氣開關上電瞬間，并且是在負載燈HL1斷開狀態跳轉至初始化狀態，執行一個空輸出M0。17步開始是空氣開關上電瞬間或者是按下SA 的時候Y1有輸出，點亮第一節燈帶HL1讓其長亮。27到43步是電路通路、接觸不良和短路三個狀態的選擇條件。51 步開始是電路處于通路狀態，燈HL 常亮，燈帶HL1、HL2、HL3流水燈亮。75步開始95步以及115步至120步是短路轉態燈帶HL1、HL2、HL3流水燈亮一次后Y10接通負載燈HL1亮起，帶漏電功能的空氣開關在只有單線接入狀態下會電流不平衡觸發自動跳閘模擬短路跳閘。99步開始至112步是接觸不良狀態，燈HL1及燈帶HL1、HL2、HL3都在閃爍狀態。

圖4 完整程序

4 后續開發設想

在原有教具的基礎上可以加入觸摸屏模塊，通過PLC 控制并用觸摸屏中的流動塊代表電流的定向流動，讓電流的流動看起來比現在使用燈帶流水燈演示更加的形象生動，促進學生理解，幫助實現教學目的。后期的改造升級可以結合本校的實際，不需要再投入經費就可以產出，是一個很好的教學研究載體。也可以考慮把三節等待變成更多的燈帶，讓流水燈亮起來更加美觀和符合審美。

5 結束語

（1）自制教具符合科學性，能準確、客觀地呈現要展示的相關聯的科學知識點。制作教具的教師本人首先要對相應的物理知識要有正確、清晰的理解，從科學的角度出發，做到概念正確，觀點嚴謹、不能出現和現有物理知識體系相違背的地方。

（2）盡量選用教學過程中能接觸到的實驗材料，因地制宜、物盡所能。制作的教具在教學使用過程中必須安全可靠，不能存在安全隱患。

（3）能激發學生學習興趣，打開學生探索知識的大門。有趣的實驗，能極大激發學生的學習熱情，引導學生進入神奇的物理世界，思考其中的奧秘。

（4）教師本身的知識技能要足夠的豐富，同時眼界要更寬闊。因為只有知識技能豐富，眼界高看得遠，才能根據身邊現有的東西，自己動手完成教具的設計制作。