PLC创新实验设计方案分析

　可编程逻辑控制器(PLC)课程是大学机械电子工程专业的一门综合性主干课程，要求学生先期掌握电工基础、电气控制及计算机软硬件相关知识，由于本课程工程背景强、机型较多，故教学过程中必须在理论学习和实践动手能力二个方面认真组织、精心准备才能收到良好的效果。如在理论学习时要联系工程背景，讲解例题时须说明输人输出信号的引入方式和接线形式，包括信号是否需要进行调理，特别要说清楚各信号间变化的因果关系，当外部电路复杂时，如电动机的Y一△启动控制、变速控制等，应该画出一次接线图，这样不但能巩固学生已学的相关知识，而且能使他们掌握整个PLC控制系统的全貌。
PLC较强的工程实践性和学生们缺乏工作经验的现状，对开设PLC实验课程的方法提出了较高要求，很多学校都进行了有益的探索。要改变以往实验课中，仅仅让同学们熟悉实验装置、进行程序的输入和模拟调试，很少有系统方案的设计和输入输出信号以及一次电气回路接线的状况。为此，我们主要从三个方面对实验课程进行了改进，以期提高学生的动手能力，促进学生实现“要我做实验”到“我要做实验”的转变，实现PLC实验教学质量的提高。
1、重概念、强基础
PLC脱胎于继电器控制但根植于计算机技术，本质上是一种数字控制技术，所以要使学生概念明晰，对易混淆的部分要专门设计实验加以强化。如计数器只对脉冲信号计数，定时器反映的是定时器线圈输入电平的高或低电位持续的时间。要求学生首先设计出单个的定时和计数程序，然后设计出定时器和计数器的组合程序，通过实验现象的不同来理解指令内在的含义；在掌握各指令意义的前提下，要设计一些典型控制程序让学生自行分析，通过实验使学生切实掌握以打牢基础。这类程序要逐个列出，如启动、停止和自保持程序、互锁程序、时序控制程序、步进程序、手动自动切换程序、集中与分散控制程序、脉冲生成程序、循环控制程序等，通过这些基本但又蕴含着大量设计技巧的程序的训练，可以显著提高学生读写程序的能力，如图1给出了启动优先和停止优先二种不同形式的启停电路。这类典型程序的功能普遍存在于日常控制系统中：如电梯的上升下降控制中，为了保证电梯能在停止后重新启动，就要用到启动优先的控制方式 ，此外工矿企业中原料的分级传输、机床工作台的往复循环运动、交通灯的循环亮灭等方式中会用到大量的互锁控制、步进控制和循环控制，掌握这些典型功能的编制方法后，通过模块化的设计方法就可以实现复杂功能的系统设计。

a 启动优先式 b 停止优先式
图1 启动、停止及自保持电路
2、重融合、求变通
以往的PLC实验教学内容都根据实验装置所提供的规定项目开出，实验项目单调不够丰满，不利于培养学生的自我设计、自我创新能力的提高 。所以要更新实验教学内容，增加自选实验的数量，开出一批新的综合性、设计型实验，在学生掌握基本概念和典型控制程序设计的基础上，使所设计的实验在知识点上前后交叉和关联，从而培养学生组合知识、裁减知识的能力。如做完电机正反转控制实验和计数器实验后，可以设计以下实验：对电视机厂的成品传输带进行控制，要求每计数2000台电视机后传输带停20秒，然后继续运转，并且要保存计算出的成品电视机总数。本题可以将电动机控制和计数器以及定时器的应用综合起来，通过此类实验的设计，可以明显增强学生的知识应用能力。
基本的PLC模块都具有计数功能，而对于通信、定位控制、模拟量控制常常采用扩展功能模块的方法来实现，为了减少成本同时充分利用已有的资源，可以针对性地设计一些跨学科的实验项目，比如利用基本型的PLC进行温度控制时，可以先将温度传感器的信号送人压频转换器(VFC)中，因为VFC输出的频率与温度传感器的输入电压成正比，温度传感器的电压与温度又是对应的，所以只要转换频率值在PLC计数器的允许频率范围之内就能准确地实现温度的测量， 否则还要通过分频电路先行降频处理。通过类似训练，可以开阔学生的思路，提高他们解决问题的积极性、主动性、多样性。
3、重实际、讲效果
可进行电动机运行模拟、机械手动作模拟、霓虹灯饰模拟、交通灯变化模拟等实验，所有实验均采用发光二极管的亮、灭来模拟电机的运行和停止、交通信号灯亮与灭等，虽然具有直观、简洁的优点，但学生所做的只是程序的调试和跳线的连接，对于PLC的输入输出及强电回路部分的信号线、动力线并没有接触的机会，有必要加入这方面的实验内容，使他们真正感受到实际PLC控制系统整体方案的设计过程和软硬件调试方法。
在实际课题的基础上，设计了一个难度适中的矿井压风房电机转速控制实验。目的是根据当前送风管中风压的大小调节电动机的转速，要求在风压达到上限值一时PLC发出减速信号，达到上限值二时发出电动机停止运行信号并有相应的停机指示；当风压值下降到下限值一时发出电机启动信号，风压值到达下限值二时发出电机增速信号。
根据任务分三次完成此实验。第一节课向学生介绍系统的使用背景和所需的输入输出信号，强调隐含在任务背后的一些约束条件，诸如大型电动机的启动和停止之间要求有一间隔时间，在程序中必须避免单台电机连续启停的现象；当出现三次以上短时间间隔发出启动信号时要报警，此时可能出现了风压不正常泄漏的事故；要注意电机主回路断路器的合闸电流和PLC输出结点所能承受的最大电流值是否匹配 因此要考虑增设中间继电器的可能，此外系统还应提供常规控制中就有的缺相保护、过流保护等功能，然后要求学生在这些内容的基础上进行总体设计，包括机型选择、实现方案的确定等；第二节课要求学生在分析比较各种设计方案，在考虑维修的前提下提出系统的总体方案并进行程序设计；第三节课是本次实验的重点，要求学生实现所设计的控制系统，不但要完成程序的调试，而且要进行输入输出信号的连线和小电机一次回路的接线，查看能否满足总体要求。
由于实验内容来源于生产实际，难度经过处理也适合学生，所以不但让大家掌握了实际问题的一般解决方法和过程，培养和提高了学生独立工作的能力，而且充分调动了学生学习的主动性，为了完成此实验，同学们广泛查阅资料，提出了好几种可行方案。
4、结束语
以培养应用型本科人才为出发点，以提高学生的自主创新能力为目的，积极探索PLC课程实验教学新的方式方法和内容，在条件具备时积极开设一些来源于生产实际的实验课程。
通过采取以上措施，调动了学生的主观能动性，强化了学生的动手能力和自主设计的能力，可以克服单纯利用实验装置带来的实验内容单一的缺点。