基于教學(xué)做一體化的PLC教學(xué)

葛春 火箭軍士官學(xué)校

引言：PLC（Programmable Logic Controller，可編程序控制器），是20世紀(jì)60年代從繼電器控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種自動控制裝置。現(xiàn)在PLC已發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置[1]。PLC作為自動化相關(guān)專業(yè)的一項(xiàng)重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，存在其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原理難懂、應(yīng)用多樣等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)給教學(xué)增加了難度。本文提出基于教學(xué)做一體化模式的PLC教學(xué)，從具體化外部特征、形象化工作過程、案例化功能實(shí)現(xiàn)三個方面，來提高該內(nèi)容的教學(xué)效益。

一、具體化外部特征，學(xué)習(xí)PLC結(jié)構(gòu)組成

西門子在中國的PLC市場上占據(jù)著很大的份額,加上在外圍相關(guān)設(shè)備上的研發(fā)生產(chǎn)能力和良好的市場口碑,更是獲得了廣大用戶的喜歡[2]。針對目前國內(nèi)工業(yè)控制現(xiàn)場的應(yīng)用情況，本文選擇典型常用的西門子S7-200 PLC為例來講解。

首先，學(xué)生授課選擇在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，每2～3名學(xué)生一組，每組共用一臺具備PLC控制功能的一體化實(shí)驗(yàn)平臺。教師在講解PLC工作原理之前，一般要重點(diǎn)講授PLC的結(jié)構(gòu)組成。教師應(yīng)從PLC的外部特征入手，抓住每一個特征細(xì)節(jié)，逐步開展結(jié)構(gòu)組成的介紹。當(dāng)然這里需要做好教學(xué)設(shè)計，可以選擇從左往右、從上往下、從外到內(nèi)的順序有條不紊的講解，也可以按照初學(xué)者觀看PLC外觀時關(guān)注點(diǎn)的邏輯介紹。

其次，基于教學(xué)做一體化的教學(xué)模式核心是注重學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位和教師的主導(dǎo)作用。因此本文在介紹PLC外部特征時，選擇從初學(xué)者觀看外觀關(guān)注點(diǎn)的邏輯順序，逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)PLC的結(jié)構(gòu)組成。一開始就讓學(xué)生觀看PLC，其關(guān)注點(diǎn)首先是PLC外殼上的型號標(biāo)識，這時應(yīng)啟發(fā)學(xué)生思考哪個標(biāo)識能夠說明其硬件配置，從而擴(kuò)展開來逐一講解其內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)；然后從加強(qiáng)版PLC實(shí)現(xiàn)了什么樣功能的加強(qiáng)，引導(dǎo)學(xué)生思考如何實(shí)現(xiàn)模擬量信號的采集與控制、怎樣擴(kuò)展相關(guān)功能，從而過渡到功能擴(kuò)展接口以及各種功能擴(kuò)展模塊知識的學(xué)習(xí)；然后再從功能擴(kuò)展接口旁邊的撥動開關(guān)，引入到工作開關(guān)以及相應(yīng)指示燈功能的講解，此時學(xué)生可以動手撥動開關(guān)不同檔位并觀察指示燈的現(xiàn)象，形象具體化的了解其組成功能；最后通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)演示，啟發(fā)學(xué)生思考PLC的上下兩個端口哪個是輸入哪個是輸出，并對照上節(jié)課學(xué)習(xí)的理論知識，思考分別屬于哪種類型，再引導(dǎo)學(xué)生打開外殼對照內(nèi)部電路板，驗(yàn)證并總結(jié)PLC的結(jié)構(gòu)組成。

二、形象化工作過程，學(xué)習(xí)PLC內(nèi)部原理

以上學(xué)習(xí)掌握了PLC的結(jié)構(gòu)組成，水到渠成的就引入到了內(nèi)部原理的教學(xué)。內(nèi)部原理是PLC教學(xué)的難點(diǎn)，教師自己懂不等于學(xué)透了，學(xué)透了不一定能講，即使能講出來也不一定能讓學(xué)生理解[3]，所以更需要合理科學(xué)的教學(xué)設(shè)計，才能達(dá)到深入淺出、通俗易懂的教學(xué)效果。

PLC的運(yùn)行工作過程主要分為三步：讀輸入、執(zhí)行程序、寫輸出，并循環(huán)掃描工作。針對這個過程主要有三個學(xué)習(xí)難點(diǎn)：一是由于PLC執(zhí)行程序較快，在實(shí)際工作中用戶根本感覺不到執(zhí)行的過程；二是讀輸入與寫輸出的概念較為抽象，很難理解；三是循環(huán)掃描的過程在實(shí)際應(yīng)用中很難通過現(xiàn)象觀察到。因此需要在每組試驗(yàn)臺上精心設(shè)計一個獨(dú)特的PLC程序和硬件連接，形象化一個具體的工作過程，才能讓學(xué)生更好的理解內(nèi)部原理。

本文設(shè)計一種通過PLC 輸入端口I0.1采集外部開關(guān)接通狀態(tài)，然后精確延時十秒鐘，利用輸出端Q0.1控制外部LED指示燈亮滅的實(shí)例，可以很巧妙的解決以上問題。首先利用程序界面中“程序狀態(tài)監(jiān)控”功能，引導(dǎo)學(xué)生觀察當(dāng)外部開關(guān)接通時，軟件中輸入繼電器變量的變化，從而形象化說明“寫輸入”；再運(yùn)用軟件中定時器的延時狀態(tài)變化，啟發(fā)學(xué)生思考“執(zhí)行程序”的過程；然后當(dāng)延時十秒鐘完成后，引導(dǎo)學(xué)生觀察軟件界面中輸出繼電器的變化和最后硬件控制功能，形象化說明“寫輸出”；最后再關(guān)閉外部開關(guān)，讓學(xué)員觀察現(xiàn)象，自主總結(jié)循環(huán)掃描的工作過程。以上這些環(huán)節(jié)教師一邊教，學(xué)生一邊操作一邊觀察思考，最終達(dá)到了教學(xué)做一體化的良好效果。

三、實(shí)例化功能實(shí)現(xiàn)，學(xué)習(xí)PLC控制應(yīng)用

以上通過具體化外部特征和形象化工作過程，學(xué)習(xí)了PLC的組成結(jié)構(gòu)與內(nèi)部原理，但學(xué)習(xí)的最終落腳點(diǎn)還應(yīng)是控制應(yīng)用。可以充分運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室一體化平臺，案例化幾個具體功能應(yīng)用，讓學(xué)生自主搭建硬件電路、編寫梯形圖軟件，將程序下載到PLC中并運(yùn)行，通過這種教學(xué)做一體化的模式，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的目的。

比如針對模擬量信號的檢測與控制，可以案例化為一個檢測保溫柜內(nèi)部的溫度、濕度，并輸出調(diào)節(jié)其內(nèi)部溫度大小的實(shí)例。教師可以提供學(xué)生相關(guān)PLC模擬量檢測與控制簡單電路原理圖、必要的電氣連接線，以及軟件編寫所需的幾種編程指令，然后學(xué)生在之前PLC組成結(jié)構(gòu)和工作原理等理論知識的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，就可以在教師的指導(dǎo)幫助下，小組協(xié)作自主完成硬件電路的搭建、梯形圖軟件的編寫、程序的下載以及最后的功能實(shí)現(xiàn)。再比如針對時間量的控制，可以案例化為一個延時5秒鐘控制LED燈點(diǎn)亮的實(shí)例。教師可以引導(dǎo)學(xué)生一邊編寫程序，輸入相關(guān)定時器指令的參數(shù)和設(shè)置值，一邊觀察界面的變化和提示，不斷總結(jié)歸納定時器指令的操作使用方法，最終完成相關(guān)控制應(yīng)用。在以上這兩種典型的教學(xué)過程中，教師的教、學(xué)生的學(xué)、教師指導(dǎo)下學(xué)生的做，達(dá)到了和諧的統(tǒng)一，學(xué)生最終自主完成控制應(yīng)用的功能，既能感受成功的喜悅感，更能為以后工作崗位的PLC應(yīng)用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。