在高職電工技術課程ＰＬＣ教學中需要注意的幾個問題

鞏　云

高等職業技術教育的電氣控制技術類和機電技術類專業，在開設電工技術課程時，均涉及PLC(可編程序控制器)技術的課程教學。PLC控制技術是現代電氣控制技術發展的方向，它從最初的取代繼電器控制方式，用作可編程邏輯控制器件，發展到目前利用半導體技術、集成電路技術和支持現場總線、工業以太網等網絡通訊技術的大中型控制系統。全面了解PLC控制技術的概況，分層次地展開PLC技術教學很重要，強調技術應用的教學更是必要的。筆者在從事PLC技術教學的過程中，發現以下幾個問題常被忽視，通過實踐研究，提出以下觀點供同行教學參考。

一、目前PLC在我國市場上的應用與學校確定專業教學目標的關系

強調教學培養對象的就業目標是職業學校在專業設置時的重要依據，訂單式教學模式已被廣泛采用，密切關注PLC技術市場的變化和發展，不斷改進教學內容是有意義的。

1、PLC按照其控制規模大小或者1/0點數分，有小、中、大三種機型

總點數小型機在256點以下；中型機在256～1024點之間；大型機在1024點以上。盡管PLC的性能和運用范圍有了大幅度的擴展，但是小型PLC仍然是市場的主流，從數量上占有總數的90％以上。因此，PLC教學應該以小型PLC為主。

2、從特點上看，小型機價格低、體積小，適用于控制自動化單機設備

開發機電一體化產品；中型機功能強、配置靈活，適用于具有諸如溫度、壓力、速度、流量、位置、角度等模擬量控制和大量開關量控制的復雜機械以及連續生產過程控制場合；大型機1/0點很多、控制規模非常強大，組網能力強，可用于大規模的過程控制，構成分布式控制系統或者整個工廠的集散控制系統。對教學機型的合理選擇，就是對教學培養目標的定位。

3、不同產品的市場定位和性能的不同

從系統集成與單機自動化設備應用上看，不同供應商及其品牌的市場策略、系統集成能力，不同產品的市場定位和性能的不同，在各類設備制造業中的應用表現也有不同(見表1)。

從表1中可以看出不同行業在選擇PLC機型及其品牌時，有所不同，這也就要求我們在不同專業針對不同的培養目標，及其就業行業取向不同，需要選擇適合的機型和品牌作為教學內容。

4、從PLC的發展動態看市場變化，在教學中不斷引入新的教學內容

(1)本土化生產降低成本從而降低產品價格。

(2)集成運動控制，成為集成控制平臺。

(3)引入嵌入式實時多任務操作系統。

(4)從混合控制需求的DCS(Distributed ControlSystem分散／分布控制系統：設計思想為分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便)現場控制器，進入獨立產品市場。

(5)典型的FA(順序控制、傳動控制、運動控制)全線產品及集成方案提供。

二、以傳統PLC控制和現代PLC控制的區別來確定不同專業教學目標的層次

傳統PLC是指按照處理邏輯運算和順序控制要求的要求設計、采用按照經典掃描方式運行的專用硬實時操作系統、具有確定性控制特征、以處理開關量1/0為主模擬量1/0為輔的程序可編的控制器。現代PLC是指PLC+PC的系統結構，PLC通過串口或者以太網口與PC機通信，由PLC進行控制，PC則聯網、作流程顯示、數據和文字處理、實時數據庫等功能。有關資料顯示：80％的PLC應用采用20幾個梯形圖指令就可以解決問題(80-20法則)，剩余20％的控制要求傳統PLC不可以滿足。根據這一規律設計學校不同的專業教學內容，可以將其分為以傳統PLC技術內容教學為主和現代PLC技術內容教學的低、高兩個層次，以滿足不同的教學培養目標要求。具體教學需要注意以下兩個方面。

1、硬件方面

傳統PLC只有一塊CPU、存儲容量≤幾十K字、1/0多為開關量、運算速度在幾十到幾百ms之間、采用傳統的低速系統總線；現代PLC有可以執行不同功能的多塊CPU、存儲容量較大(可以根據不同的需要配置)、1/0可以有高低速開關量和不同的模擬量、運算速度可達0.2ms、采用高速背板總線。

2、軟件方面

傳統PLC采用經典掃描方式的軟件模型、編程語言簡單(梯形圖LD、指令表IL、功能塊圖FBD)、專用時間驅動掃描方式的操作系統；現代PLC采用符合IEC61131-3軟件模型、編程語言較復雜(文本類語言：IL、ST；圖形類語言：LD、FBD、SFC)、專用時間驅動和事件驅動掃描方式的操作系統(可以按照程序功能設置不同的掃描時間)。

由此可以看出，除了硬件配置上的區別之外，最本質的區別在于軟件模型的不同。因此，以軟件模型的區別配置硬件，可以滿足分層次教學目標的要求。

三、PLC實訓教學環境條件建設中需要注意的問題

完成PLC技術課程教學最適合的辦法是采用一體化教學。一體化教學教室的PLC技術訓練區需要安裝模擬工作現場的實訓裝置，有些學校是外購的PLC實訓，實驗教學產品，也有些學校是根據自己需要自制的PLC綜合實訓／實驗裝置。無論如何都需要注意下面幾點。

1、講評區域和實訓區域之間，人員與設備安全的硬件隔離與軟件隔離措施必須齊全

一體化教學環境內的區域劃分是為了保證教學的效果、保障人員安全與教學秩序及其設備的安全運行，所以，明確劃分區域界限和制定教學規程是十分必要的。

2、PLC技術實訓裝置運行的基本工作條件要求

(1)環境溫度：0℃～50℃，且遠離發熱源、四周通風的空間足夠大；

(2)空氣與濕度空氣相對濕度≤85％(無凝露)、避開粉塵、有腐蝕和易然的氣體，不要采用封閉型措施：

《3)震動：遠離強烈的振動源，防止頻率為10至55Hz的頻繁或連續振動，如果震動不可避免，必須采取減震措施：

(4)電源：一般PLC都有直流24V輸出提供給輸入端，當輸入端使用外接穩壓電源時，應該選用紋波較小的直流穩壓電源，而不要選擇普通的整流濾波電源，必要時，在電源的引入端安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。

四、PLC技術課程教學過程中，實訓系統的抗干擾問題

PLC控制系統的可靠性直接影響到其教學的效果，系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。PLC實訓裝置一般集中安裝在控制室，也有的是安裝在模擬的生產現場和各電機設備上，它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中。要提高PLC控制系統可靠性，一方面要求PLC生產廠家用提高設備的抗干擾能力，另一方面，要求一體化教室設計、安裝施工和使用維護中

引起重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統的抗干擾性能，必須注意以下幾個方面。

1、按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾

共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(同方向)電壓達加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞(這就是一些系統1/0模件損壞率較高的主要原因)，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓，這種讓直接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。

2、PLC控制系統中電磁干擾的主要來源

(1)來自空間的輻射干擾。空間的輻射電磁場(EMI)主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。若PLC系統置于射頻場內，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾：二是對PLC通信內網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小，特別是頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

(2)來自系統外引線的干擾。主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導干擾。這種干擾也許在實訓室表現不是太明顯，但是在工業現場卻是較嚴重。

(3)來自PLC系統內部的干擾。主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于PLC制造廠對系統內部進行電磁兼容設計的內容，比較復雜，作為應用部門是無法改變，可不必過多考慮，但是，選擇時要考慮那些具有較多應用實績或者經過考驗的系統為宜。

(4)來自變頻器的干擾。一是變頻器啟動及運行過程中產生的諧波對電網產生傳導干擾，引起電網電壓畸變，影響電網電壓質量：再就是變頻器的輸出會產生較強的電磁輻射干擾，影響周邊的設備而不能正常工作。

3、主要的抗干擾措施

(1)PLC電源做抑制干擾引入的處理。例如：安裝有屏蔽層的隔離變壓器或者電源濾波器等。

(2)分別安裝布線，即動力線、控制線、電源線和1/0端口接線分別配置。

(3)PLC遠離強干擾源，必要時對PLC做屏蔽處理或者對干擾源做消弧處理。

(4)PLC的輸入與輸出、開關量與模擬量、交流輸出線與直流輸出線，也都需要做隔離或者屏蔽等處理。

(5)PLC控制系統要完善，接地點選擇要正確。強調安全地或者電源接地、系統接地和信號與屏蔽接地。

(6)在PLC與變頻器聯機實訓時，應該使用隔離變壓器、濾波器和輸出電抗器抑制變頻器干擾。

(作者單位：河南新鄉職業技術學院)