《可編程控制技術(shù)》教學(xué)策略研究

游超超 劉應(yīng)乾

摘? 要：《可編程控制技術(shù)》課程即PLC是控制類、電氣類和自動(dòng)化類等專業(yè)的必修課程，是一門具有很強(qiáng)的邏輯性、應(yīng)用性與操作性的專業(yè)課程。為了實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓學(xué)生更好的學(xué)會(huì)應(yīng)用該課程，適應(yīng)當(dāng)前應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目的，在教學(xué)過(guò)程中引入專業(yè)案例，通過(guò)對(duì)案例的整體設(shè)計(jì)來(lái)學(xué)習(xí)相關(guān)課程知識(shí)，掌握可編程控制技術(shù)的相關(guān)理論及應(yīng)用知識(shí)。

關(guān)鍵詞：可編程控制技術(shù)? 實(shí)例教學(xué)? 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)? 應(yīng)用型人才

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(shù)》是控制類及電氣工程類和自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生的必修課程，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中具有很強(qiáng)的邏輯性、連貫性及應(yīng)用性。傳統(tǒng)教學(xué)習(xí)慣于用講授法，根據(jù)課本內(nèi)容給學(xué)生灌輸書本上的知識(shí)，忽略了PLC應(yīng)用性和邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，使學(xué)生僅僅掌握相關(guān)理論知識(shí)，沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的概念及能力，不理解學(xué)習(xí)本門課程的目的，不會(huì)具體到實(shí)際中的應(yīng)用方法，因而學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不佳，理解深度欠缺，不利于后期課程及畢業(yè)設(shè)計(jì)等等的繼續(xù)應(yīng)用。

1? 實(shí)例教學(xué)在《可編程控制技術(shù)》中的應(yīng)用

考慮到傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足之處，在教學(xué)可編程控制技術(shù)的過(guò)程中，引入工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解。在這里，引入一個(gè)中小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的工程實(shí)例。我國(guó)的水資源較豐富，適宜于開發(fā)水電，特別是中小型水電站。而且當(dāng)今隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)越來(lái)越大，可以能夠準(zhǔn)確而迅速地反映出水電站主要設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。隨著科技水平的提高，實(shí)現(xiàn)水電站的自動(dòng)化監(jiān)控，計(jì)算機(jī)監(jiān)控有著越來(lái)越重要的作用，計(jì)算機(jī)監(jiān)控已經(jīng)成為了實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)化監(jiān)控的必要條件。結(jié)合小型水電站的實(shí)際情況，分析研究一套通過(guò)PLC進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在可編程控制技術(shù)中，對(duì)此小型水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，將此實(shí)例貫穿于整個(gè)可編程控制技術(shù)的教學(xué)過(guò)程中。通過(guò)整個(gè)小型水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，掌握PLC在系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，將PLC的相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行講解。

1.1 實(shí)例導(dǎo)入

為了研究及應(yīng)用小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小型水電站數(shù)據(jù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制功能，應(yīng)用PLC對(duì)小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整體的控制設(shè)計(jì)。那么在這里提出問(wèn)題，什么是可編程控制技術(shù)？在此小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC起到的是什么作用？在監(jiān)控過(guò)程中需要控制的有哪些方面，而PLC在系統(tǒng)中應(yīng)如何應(yīng)用，如何去選擇合適的PLC型號(hào)，如何配置PLC，需要先進(jìn)行什么設(shè)計(jì)，如何進(jìn)行軟件的編程和參數(shù)的設(shè)定等等。通過(guò)這些問(wèn)題的提出，使學(xué)生在心中先有一個(gè)整體的目標(biāo)性，帶著疑問(wèn)，帶著為了去解決既定目的的心態(tài)學(xué)習(xí)課程，先給學(xué)生建立目標(biāo)意識(shí)，讓學(xué)生知道為什么學(xué)習(xí)此門課程。

1.2 教學(xué)過(guò)程

為讓學(xué)生對(duì)小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)有一定的了解，首先對(duì)此自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。為了適應(yīng)水電站的供電的需要，提高水電站的發(fā)電質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)水電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)水電站總突發(fā)事件及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)，需要對(duì)整個(gè)小型水電站進(jìn)行實(shí)時(shí)的全方位的監(jiān)控。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作原理可以用三個(gè)步驟來(lái)概括。一是采集具有實(shí)效性的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處理。在這種日常的生活、生產(chǎn)過(guò)程中，被控量通過(guò)測(cè)量裝置傳送到轉(zhuǎn)換器再送到控制系統(tǒng)，這是控制器控制計(jì)算機(jī)必須實(shí)施的檢測(cè)，同時(shí)輸入被控量的瞬時(shí)值控制決策要實(shí)時(shí)。二是控制器要進(jìn)行有效的分析處理，控制其在接收到轉(zhuǎn)換器送達(dá)的信號(hào)時(shí)，控制器需要對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行分析處理，按照控制器的控制規(guī)律下達(dá)有效的控制命令。三是需要具有有效的控制輸出，根據(jù)控制器的控制決策控制信號(hào)執(zhí)行，到達(dá)執(zhí)行器完成執(zhí)行任務(wù)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，包括傳感器、控制器、執(zhí)行器、電氣開關(guān)等設(shè)備。

控制系統(tǒng)主要由三級(jí)控制系統(tǒng)組成，第一級(jí)為本地控制級(jí)，主要由四個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊都有自己?jiǎn)为?dú)的本地控制單元;每個(gè)機(jī)組現(xiàn)地控制單元自動(dòng)設(shè)置，使用PLC可以得到不同的控制指令，并對(duì)給定的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。從中央控制電源設(shè)備的上層，保證機(jī)組的實(shí)時(shí)控制。在第二層，即電廠控制層，最重要的是在線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控三個(gè)現(xiàn)有的電廠和一臺(tái)附加水電機(jī)組的運(yùn)行情況;第三層是遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)瀏覽和控制層，是需要完成的最重要的遠(yuǎn)程監(jiān)控和規(guī)劃項(xiàng)目。為實(shí)現(xiàn)小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，其自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分將采用PLC來(lái)進(jìn)行控制，在此系統(tǒng)中，PLC主要用到其3個(gè)工作階段，即輸出采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新這3個(gè)階段。要想實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，其首要任務(wù)是選取合適的PLC型號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，那么要如何進(jìn)行PLC的選型？在選擇PLC型號(hào)時(shí)需要考慮從哪幾方面考慮呢？首先，就需要對(duì)PLC的相關(guān)概念及其結(jié)構(gòu)組成等進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此，可以通過(guò)本例題引出課程的第一個(gè)內(nèi)容，講解PLC的相關(guān)概念、結(jié)構(gòu)、分類、發(fā)展等等。PLC就相當(dāng)于人的大腦，可以識(shí)別和處理接收到的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)程序的編寫，對(duì)信號(hào)進(jìn)行邏輯、順序、算數(shù)等等不同的運(yùn)算，通過(guò)對(duì)PLC的合理設(shè)計(jì)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的整體控制。PLC有中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出（I/O）、電源等結(jié)構(gòu)組成。對(duì)應(yīng)PLC的結(jié)構(gòu)圖，對(duì)PLC的每一部分進(jìn)行講解，使學(xué)生對(duì)PLC的概念和結(jié)構(gòu)有一定的掌握，也明白在PLC進(jìn)行選型時(shí)需要注意在哪幾方面進(jìn)行選擇。

考慮PLC的I/O輸入輸出點(diǎn)數(shù)，首先確定需要的I/O點(diǎn)數(shù)從而確定控制設(shè)備的要求，并以I/O點(diǎn)數(shù)的總和為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。通常根據(jù)我們統(tǒng)計(jì)需要的點(diǎn)數(shù)，以15%～25%的可擴(kuò)展的范圍增加輸入輸出點(diǎn)，根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)選擇PLC型號(hào)。其次需要對(duì)PLC的處理器，主存儲(chǔ)器容量，供電電壓等等進(jìn)行選擇確定。結(jié)合該系統(tǒng)中PLC的應(yīng)用條件，PLC需要實(shí)現(xiàn)的控制功能，系統(tǒng)對(duì)PLC的要求等對(duì)PLC的型號(hào)進(jìn)行選擇。讓學(xué)生對(duì)PLC有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，將PLC的基本結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于選型時(shí)需要滿足的各方面的條件，試著去根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)選定PLC的型號(hào)。

在選定完P(guān)LC型號(hào)之后，要思考要想實(shí)現(xiàn)小型水電站自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中還包括什么設(shè)備，還需要進(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)各部分之間的連接，PLC是如何獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如何對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如何產(chǎn)生控制信號(hào)，如何將控制信號(hào)傳遞出去對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的，又是如何設(shè)置PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)其既定作用的。因此可以提出問(wèn)題，引出對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、連接方式、信號(hào)傳輸方式及數(shù)據(jù)處理等等的相關(guān)知識(shí)。

在此，可將系統(tǒng)中不是本門課程中相關(guān)知識(shí)的內(nèi)容加以介紹。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案主要分為硬件方案設(shè)計(jì)部分和軟件方案設(shè)計(jì)部分，系統(tǒng)的硬件主要組成包括PLC、執(zhí)行器、電氣開關(guān)、水電機(jī)組、現(xiàn)場(chǎng)傳感器模塊、機(jī)組調(diào)速裝置及其他智能調(diào)節(jié)裝置等。系統(tǒng)主要通過(guò)PLC結(jié)合各個(gè)模塊進(jìn)行水電站的各部分監(jiān)測(cè)及控制，各類傳感器將采集到的各種信息傳送給PLC進(jìn)行處理，PLC將監(jiān)測(cè)當(dāng)前水位，流量，機(jī)組運(yùn)行情況，發(fā)電情況等實(shí)時(shí)狀況。從給出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以看出，PLC在系統(tǒng)中起到一個(gè)整體控制的作用，那如何利用PLC來(lái)接收信息，處理信息，并對(duì)相關(guān)的信息進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制呢？在此，就可以引出PLC的工作過(guò)程，首先對(duì)PLC的輸入采樣階段進(jìn)行講解，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)輸入采樣階段的工作過(guò)程，輸入信號(hào)的寬度，掃描周期等知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生明白如何設(shè)置才可以確保在任何情況下都有數(shù)據(jù)的輸入，保證正確的采樣。其次，對(duì)PLC的用戶程序階段進(jìn)行講解。在這里，可以引入PLC相應(yīng)的功能指令，PLC的編程技術(shù)，PLC梯形圖的設(shè)計(jì)編寫。對(duì)應(yīng)講解課本相關(guān)理論知識(shí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)PLC梯形圖的繪制以及PLC的編程設(shè)計(jì)。使學(xué)生學(xué)會(huì)可編程控制器梯形圖的執(zhí)行過(guò)程，明白梯形圖的運(yùn)行順序，從上到下，從左到右。從整個(gè)形態(tài)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過(guò)程中，真正明白學(xué)習(xí)PLC梯形圖編程的作用及根據(jù)實(shí)際情況分析、抽象編寫程序的步驟及方法。然后，對(duì)PLC的輸出刷新階段進(jìn)行講解。當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)將在此階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過(guò)輸出端子和外部電源，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。在完成一次系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制掃描之后，如何才可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)不間斷運(yùn)行，則需要對(duì)可編程控制器進(jìn)行輸出更新，將之前得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，開始新的監(jiān)測(cè)。

在此之后，提問(wèn)在此小型水電站的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件用什么編程軟件進(jìn)行編程？又如何實(shí)現(xiàn)可編程控制器的通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)置呢？因此引出對(duì)PLC編程軟件的介紹。在學(xué)生學(xué)習(xí)了PLC功能指令及編程技術(shù)的基礎(chǔ)上，將其在編程軟件上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。并通過(guò)通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，使所編寫的程序可以實(shí)際應(yīng)用去控制系統(tǒng)的運(yùn)行。讓學(xué)生試著自己去運(yùn)用編程軟件去編寫系統(tǒng)的控制程序。可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一定的細(xì)分，比如分為檢測(cè)發(fā)電機(jī)是否正常運(yùn)行的模塊，發(fā)電信號(hào)的接收處理模塊，特殊情況的檢測(cè)處理模塊等等，讓學(xué)生首先掌握小模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

學(xué)習(xí)到這里，PLC的相關(guān)理論知識(shí)基本講解完成，且在整個(gè)實(shí)例系統(tǒng)的引入，實(shí)現(xiàn)小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的過(guò)程中，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的建立及分析方法，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)于實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用的作用，因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中已經(jīng)對(duì)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟及使用有了一個(gè)較完整的概念。

1.3 課程總結(jié)

在本門課程中，開始就直接給到學(xué)生一個(gè)完整小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為學(xué)習(xí)課程的目標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的知識(shí)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始，引出課本中的相關(guān)理論知識(shí)，最后將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去，使學(xué)生從開始學(xué)習(xí)就有目的性，目標(biāo)性，讓整個(gè)可編程控制課程中的知識(shí)點(diǎn)連貫起來(lái)，最終去解決實(shí)際問(wèn)題，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增加學(xué)生理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)用的能力。

2? 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)現(xiàn)階段大學(xué)需要培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，為了解決學(xué)生在學(xué)習(xí)《可編程控制技術(shù)》時(shí)，知識(shí)復(fù)雜，缺乏連貫性，學(xué)生沒(méi)有目的性等特點(diǎn)，在課程開始時(shí)即引入一個(gè)完整的小型水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例，先讓學(xué)生對(duì)課程的用途有了一個(gè)詳細(xì)直觀的了解，通過(guò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制所需要的與PLC相關(guān)的知識(shí)引出，講解并應(yīng)用于系統(tǒng)，使學(xué)生每一步的學(xué)習(xí)都有連貫性，目的性，實(shí)用性，從而增加了學(xué)習(xí)的興趣，也掌握了理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)用能力的方法。

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