知識映射在PLC首次課堂教學中的應用

李翔

摘要：本文針對當前PLC有關教材中的一些不足，進一步明確了繼電器系統與PLC系統中相關術語的對應關系，定義了有關的邏輯意義，從而建立起兩者間的完全映射關系，提出了相關問題的課堂教學思路與建議。遵循此新的思路與建議能讓初學者在PLC的首次課堂中就能理解好相關基本概念，并為繼續學習和實踐樹立信心打下基礎。

關鍵詞：PLC；繼電器；控制電路；邏輯運算

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）04-0283-02

一、引言

PLC的中文全稱為可編程序邏輯控制器。當今隨著微處理器、計算機和數字通信技術的迅速發展，計算機控制已經廣泛地應用在各種工業領域。為適應現代社會市場發展，滿足生產設備和自動生產線的控制系統具有極高的可靠性和靈活性的要求，以微處理器為基礎的通用工業控制裝置PLC順應出現。PLC相關課程是高等院校電氣信息類專業必修的一門實踐性較強的專業基礎課程。掌握好PLC的有關原理和操作，對于實踐開發和進一步學習具有重要意義。

根據最近的教學經驗，雖然PLC實踐性較強，但是學生對PLC本身的設計思想和基本概念把握不好仍然會心有凝慮，這會影響學生敢想敢做的心態，實踐效果并不很理想。這些思想和概念理論不是很深，但又有必要在所開設課程的早期澄清，以使得后面的相關實踐過程順暢。PLC是講芯片及應用的，然而從產生的角度來看又與單片機、DSP等課程有所區別。PLC追求的是集成和替代，有早期繼電器控制系統的影子在里面，因此對PLC原理的理解不能脫離早期的繼電器控制系統。

二、問題陳述

PLC是從繼電器控制系統發展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統電路圖相似，而且梯形圖中的某些軟元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器等。如圖1所示，繼電器結構主要由電磁線圈、鐵心、觸點和復位彈簧組成。繼電器有兩種觸點，線圈斷電時處于斷開狀態的觸點稱為常開觸點，處于閉合狀態的觸點稱為常閉觸點。線圈通電時，電磁鐵產生磁力，吸引銜鐵，使常閉觸點斷開，常開觸點閉合。線圈電流消失后，復位彈簧使銜鐵返回原來的位置，常開觸點斷開，常閉觸點閉合。一個繼電器可能有若干對常開觸點和常閉觸點。在繼電器電路圖中，用同一個由字母、數字組成的名稱（如KA2）來標注同一個繼電器的線圈和觸點。

圖2是用交流接觸器控制異步電動機的主電路、控制電路和有關的波形。接觸器的結構和工作原理與繼電器基本相同，區別僅在于繼電器觸點的額定電流較小，而接觸器是用來控制大電流負載的。按下啟動按鈕SB1，它的常開觸點閉合，電流經過SB1的常開觸點和停止按鈕SB2以及作過載保護用的熱繼電器FR的常閉觸點，流過交流接觸器KM的線圈。接觸器的銜鐵被吸合，使主電路中的三對常開觸點閉合。異步電動機的三相電源被接通，電動機開始運行，控制電路中接觸器KM的輔助常開觸點同時接通。放開啟動按鈕后，SB1的常開觸點斷開，電流經KM的輔助常開觸點和SB2、FR的常閉觸點流過KM的線圈，電動機繼續運行。KM的輔助常開觸點實現的這種功能稱為“自鎖”或“自保持”，它使繼電器電路具有類似于RS觸發器的自鎖功能。

在電動機運行時按停止按鈕SB2，它的常閉觸點斷開，使KM的線圈失電，KM的主觸點斷開，異步電動機的三相電源被切斷，電動機停止運行，同時控制電路中的KM的輔助常開觸點斷開；松開停止按鈕SB2，其常閉觸點閉合后，KM的線圈仍然失電，電動機繼續保持停止運行狀態。相關信號的波形在圖2中給出，圖中用高電平表示1狀態（線圈通電、按鈕被按下），用低電平表示0狀態（線圈斷電、按鈕被放開）。顯然圖2中的控制電路具有記憶功能，在繼電器系統和PLC的梯形圖中被大量使用，它被稱為“起動—保持—停止”電路，或簡稱為“起保停”電路。

某些物理量只有兩種相反的狀態，例如電平的高、低，接觸器線圈的通電和斷電等，他們被稱為開關量。二進制數的1位只能取0和1這兩個不同的值，可以用他們來表示開關量的兩種狀態。梯形圖中的位軟元件（如輔助繼電器M和輸出繼電器Y）的線圈通電時，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，以后稱該軟元件為1狀態，或稱該軟元件為ON。位軟元件的線圈和觸點的狀態與上述的相反時，稱該軟元件為0狀態，或稱該軟元件為OFF狀態。使用繼電器電路或PLC的梯形圖可以實現開關量的邏輯運算。梯形圖中觸點的串聯可以實現“與”運算，觸點的并聯可以實現“或”運算，用常閉觸點控制線圈可以實現“非”運算，如圖3所示。

三、教學思路與建議

遵循上述過程介紹物理繼電器、異步電機控制及梯形圖中的基本邏輯運算，留給初學者的印象是PLC中的常開、常閉及線圈與物理繼電器的相應元件有對應關系。然而梯形圖中元件旁邊的標號表示什么含義？不同的元件旁邊的標號可以一樣，與繼電器對應關系又如何并沒有明確說明。如果有以上對應關系，它們與其對應表示元件的邏輯關系又如何呢？這涉及到理解PLC系統本身設計的思想。因此，為方便從本質上說明PLC系統的有關編程元件與實際物理繼電器的對應關系，我們定義如下邏輯關系：繼電器不工作或工作分別定義為邏輯0或1，觸點斷開或接通分別定義為邏輯0或1，線圈失電或得電分別定義為邏輯0或1。于是我們詳細給出了如下各元件名字的對應關系和邏輯意義。

教學過程中在以上映射圖的基礎上應按照如下幾個方面加以強調和講授。

1.用線圈或觸點的狀態來描述軟元件（或軟繼電器）的狀態容易轉移學生的注意力，造成對PLC中軟元件本身含義不清。軟元件本身就有1狀態或0狀態，這與物理繼電器的狀態相對應，利用存儲器中的一位邏輯變量來表示，這需要占用資源。如軟元件Y0，當對應的位變量Y0=1時，就說此軟元件為1（ON）態；當對應的位變量Y0=0時，就說此軟元件為0（ON）態。軟元件Y0處于1態時，其常開觸點閉合，常閉觸點斷開，線圈得電；軟元件Y0處于0態時，其常開觸點斷開，常閉觸點閉合，線圈失電。

2.梯形圖中的字母如Y0表示的是軟元件（或軟繼電器），它對應PLC中存儲器中的一個邏輯變量。軟元件Y0的狀態為0時，表示其常開觸點斷開，常閉觸點閉合，線圈失電；軟元件Y0的狀態為1時，表示其常開觸點閉合，常閉觸點斷開，線圈得電。因此，常開（常閉）觸點或線圈旁邊的符號Y0并不表示這個觸點或線圈本身，觸點和線圈本身的邏輯與其對應的軟元件Y0的邏輯又有關系，應明確的將這些觸點或線圈視為軟元件Y0的常開（常閉）觸點或線圈。

3.梯形圖中同一個軟元件如Y0的常閉或常開觸點及線圈可以使用任意多次，這些觸點和線圈本身涉及的狀態是通還是斷、是得電還是不得電，它們僅與存儲器中的邏輯變量Y0有關，Y0才是用到的PLC資源。

4.在圖2交流接觸器控制異步電動機的控制電路中，觸點旁邊的標記符號，如SB1應理解為表示相應物理繼電器，而SB1旁邊的觸點（或稱為開關更恰當，以示與梯形圖中的觸點相區別）應稱為繼電器SB1的觸點。在這里，很多初學者會將這些標記符號視為代表觸點（開關）或線圈本身，這是不對的。

四、結論

知識映射是一種好的學習方法，在教學中加以靈活運用也可以達到很好的教學效果。這就需要專任教師在教材教法上要多下功夫。通過以上教學思路和建議，學生通過第一堂PLC的學習，可以理解和掌握好PLC系統設計的思想。有些概念可能學生通過第一堂課并不能深刻掌握和記憶，這需要在以后的教學中加以重復和提醒。總之，經驗表明，通過以上思路的教學，學生能夠深刻理解PLC系統的本質，這為以后的進一步教學和實踐活動打下了堅實的基礎。

參考文獻：

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