开放式PLC程序设计在项目教学中的应用.pdf

量 麦旦 开放式P L C 程序设计在项 目教学中的应用 曾兴柱 ，李娟 西安电 力高 等专科学校 动力工程系， 西安 7 1 0 0 3 2 日 窒塑告日 摘 要本文以2 0 0 4 年全国电工大赛P L C 实操题 “ 控制5 台电机的启停”为例，通过基于基本控制逻辑、计数器和比 较指令 、移位循环指令3 种实现方法 ，阐述在 “ 电气控制与P L C 编程课程”中如何以一题多解的方式让学生进行发散 性思维、求异性思维 ，实现在综合职业能力培养的基础上 ，突出创新能力教育的目标。 关键词项目教学法；P L C 程序设计；开放式；创新能力；综合职业能力 中图分类号G 4 0 - 0 5 7 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 4 0 4 0 0 1 7 0 3 T h e A p p l i c a t i o n o f O p e n P L C P r o g r a m D e s i g n i n P r o j e c t T e a c h i n g Me t h o d Ze n gXi n g z h u ，Li j u a n D e p a r t m e n t o f P o w e r E n g i n e e ri n g ， Xi a n E l e c t ri c P o w e r C o l l e g e ， X i a n ， S h a n X i 7 1 0 0 3 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， a n e x a m q u e s t i o n t h e s t a r t i n g a n d s t o p p i n g o p e r a t i o n o f 5 e l e c t ric ma c h i n e s i n t h e 2 0 0 4 n a t i o n a l e l e c t ri c e n g i n e e ri n g c o mp e t i t i o n h a s b e e n d i s c u s s e d． Ba s e d o n t h e c o n t r o l l i n g l o g i c ， a r i t h mo me t e r a n d c o mp a r i n g i n s t r u c t i o n ， a n d s h i ft c i r c u l a t i o n i n s t ruc t i o n ， h o w t o h e l p s t u d e n t s d e v e l o p t h e i r d i v e r g e n t t h i n k i n g a n d d i f f e r e n c e s e e k i n g t h i n k i n g a b i l i t y w i t h t h e a p p r o a c h o f s e v e r a l s o l u t i o n s t o o n e q u e s t i o n i n t h e S U b j e c t o f E l e c t r i c C o n t r o l a n d P L C P r o g r a mm i n g h a v e a l s o b e e n p r o p o s e d ． Mo r e o v e r ， t h e e x a mp l e s h o wn t h a t t h e me t h o d o l o g y c a n h i g h l i g h t t h e c r e a t i v i t y o f s t u d e n t s i n t h e c o u r s e o f t h e i r c 6 mp r e h e n s i v e c o mp e t e n c e d e v e l o p me n t ． K e y W o r d s p r o j e c t t e a c h i n g me t h o d ； P L C p r o g r a m d e s i g n ； o p e n i n g ， c r e a t i v e a b i l i t y ； c o mp r e h e n s i v e p r o f e s s i o n a l a b i l i t y 项 目教学法具有 “ 以能力培养为核心，实践与理论并 重”【 1 的特点，在 “ 电气控制与P L C 编程”课程教学中得到 了广泛的使用『2 】 。项 目教学法中教学项 目的选取 ，不仅要明 确教学内容以工作任务为依托、教学活动以学生为主体的 特点，而且还要有机地结合多项知识点，适合学生实际水 平的难易度 ，突出学习过程的发散思维、创新思维，学习 成果多样化的特征 】 。可以说，项 目选择的成败，是项目教 学法能否实现能力培养的关键之一。 P L C 课程项 目载体选择的一个重要原则就是要突出成 果的多样化特征 ，项 目的结果或解决方案要有多种可能 性 ，在开放性的基础上实现举一反三的效果，力求开拓思 路 ，使学生在完成项 目的过程中能从各种不同的角度分析 问题 ，给出不同的解决方案 ，培养学生发散思维、创新能 力 ， 提升学生的综合职业能力 。本文以2 0 0 4 年全国电工大 赛高级维修电工中的 P L C实操题为例 ，说明其在项 目教学 法中的使用情况。 1 P L C 控制的题 目与要求 该实操题 目名称为 “ 控制5 台电机的启停”，硬件设 备包含一个启动按钮S B 2 ， 一个停止按钮S B 3 和一个急停按钮 S B 1 ， 五台电机编号为M1 、M2 、M3 、M4 、M5 及其相应的电 器元件。控制要求包括 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 1 启动按照电机序号顺序启动 ，只有急停按钮S B1 为 O F F 时才可以启动电机。当第一次按启动按钮S B 2 时，第一 台电机Ml 启动 ；第二次按启动按钮时，M2 启动；第三次 按启动按钮时，M3 启动；以此类推 ，当第五次按启动按钮 时，M5 启动，这样五台电机都启动了。 2 停止按逆序停止，当第一次按停止按钮S B 3 ，第五 台电机M 5 停止，其它电机照常运行；第二次按停止按钮 ， M 4 停止；第三次按停止按钮 ，M3 停止；以此类推 ，当第五 次按停止按钮S B 3 时，停止第一 台电机M1 。至此五台电机 全部停止运行 。 3电机在停止时先停编号最大的，启动时先启动编号 最小的。在任何正常情况下，若按停止按钮S B 3 ，则停止正 在运行中的编号最大的电机； 若按启动按钮S B 2 ， 则启动所 有未启动电机中编号最小的电机。 4 任何情况下当按下急停按钮S B 1 时，所有电机都停 止运行 ，启动无效。 5 用七段码随时显示正在运行的电机个数。 通过上述描述可 以看出，5 台电机启停 的控制 ，和一 般 电机的控制 ，是有很大区别 。一是控制 的按钮只有两 个 ，而电机有5 个 ，需要通过启动或停止按钮依次完成5 台 电机的启停 ，而不是每台电机都有 自己的启停按钮 ；二是 要实现五台电机的顺序启动与顺序停止 ，是一个双 向的顺 序控制过程 ，使用一般的顺序控制算法很难奏效 ，需要另 辟蹊径 ，寻找有效 的解决方案i三是需要用七段码随时 El C V o 1 ． 21 2 0 1 4 N0 ． 4 1 7 臼 窒塑蚩臼 显示正在运行的电机个数 ，需要较深的理论基础。总体来 说，这道题 目作为一个教学项目，具有相当的难度和综合 性，学生需要在学习基本理论知识的基础上 ，具有相当的 工作经验后，才能进一步寻找到解决问题的途径，是一个 比较理想的项 目载体。由于题目的第五项要求的解决方法 比较单一，本文关于题 目不同实现方法主要针对前四项 ， 以在高职院校中P L C 课程教学中广泛使用的西门子s 7 2 0 0 P L C 为例 ，展开讨论 。 2基于基本控制逻辑的实现方法 在完成P L C 的基本控制逻辑等内容的学习后 ，就可以 提出 “ 控制5 台电机的启停”，让学生进行程序设计和实 践操作。在这一阶段，学生虽然还没有学习定时器、计数 器、复杂系统的顺序控制算法等内容 ，但已经学习了P L C 的基本原理 、基本的控制逻辑、P L C 的扫描工作过程等内 容，经过实践训练，积累了一定的编程经验。根据题 目要 求，首先列出题目要求的I ／ O 分配表，如表1 所示。 表1 5 台电机控制的输入／ 输出地址分配 T a b l e 1 F i v e mo t o r c o n t r o l o f I ／ O a d d r e s s a s s i g n me n t 输 入设备 输出设备 在这个阶段主要以基本逻辑中的顺序控制思路来进行 程序设计，设计时可以将前一电机控制的结果作为下一电 机启动或停止的条件，串联到下一电机的启动或停止条件 中，但该思路在具体实现时会碰到两个难题 ，一是无法同 时实现顺序启动与停止 ，即如果可以实现顺序启动 ，用相 同的方法就无法实现顺序停止 ，如果可以实现顺序停止， 则无法实现顺序启动 ，这就是顺序启动和顺序停止两个顺 序控制的 “ 双向互锁”问题；二是如果不考虑扫描周期的 因素，即使在只实现五台电机的顺序启动过程中，当按启 动按钮时 ，会出现五台电机同时转动的情况，这是因为启 动按钮的闭合时间通常都会大大超过一个扫描周期 ，这对 后续电机而言，其启动条件已经满足，电机就会运行。 由此可见 ，使用基本逻辑来进行设计 ，要解决好几 个问题 ，一是使用脉冲指令 ，保证每次启动或停止信号只 能对一个电机起作用 ；二是使用 中间继电器，记录程序中 间执行的结果；三是在电机的启动过程中，按照 “ 倒排顺 序”的方法进行设计 ，确保电机启动时一次只能启动一台 电机，避免产生两个顺序控制的 “ 双向互锁”问题 ；四是 为了实现5 台电机的顺序停止 ，在采用 “ 倒排顺序”的同 时 ，将上一电机的输出点并联在停止按钮所产生的脉冲 上，当按下停止按钮时，只会停掉当前处于运行状态的最 后一个电机，其他电机由于电机输出点的保持作用，而继 续保持运行。以第五台电机的断开为例，当按下停止按钮 1 8 E I C V O I ．2 1 2 0 1 4 N 0． 4 墨 塞 时，MO ． 1 的常闭触点断开 ，中间继电器M1 ．4 断开，但0 0 ． 4 尚未断开，保证M1 ． 3 及Q O ． 3 不会断开 ，第 四台电机照常运 行 ，在输出时，通过M1 ． 4 到Q 0 ． 4 的输出断开第五台电机 ， 确保了顺序停止。如图1 所示 ，给出了采用常规控制实现方 法最后得 出的梯形 图。 H卜 卜 I I 口 1 M 0 1 H 卜 卜 l 。 。 。 。 旧 一～ 一 M O ． OZ M 0 1 ～ 一 I M O．O M O ．I ．。 工 。丁一 一、 I M U O M O 1 。 工 。 丁I I 一 l M O．O I,,1o 1 。 工 。 一 H} _ _ H卜_- H卜__ I H 1 1 q 0 1 H卜 I H 1 0 q 0 0 H卜 图1基于基本控制逻辑的梯形图 F i g 1 Ba s e d O i l t h e b a s i c c o n tr o l l o g i c o f l a d d e r d i a a m 由分析 可知 ，常规控制方法是 以P L C中基本逻辑指 令、基本原理为基础，通过灵活使用脉冲指令 、中间继电 器，深入理解P L C 的扫描工作过程 ，采用针对两个顺序控 制的 “ 双向互锁”和 “ 倒排顺序”的程序设计思路，才能 很好的解决问题。以此为背景组织项 目教学 ，具有较高的 难度和综合性，是一个比较适合的项目教学载体。 3基于计数器和比较指令的实现方法 当完成计数器的学习后，可以考虑使用计数器来完成 5 台电机的启停。使用计数器控制的基本思想是当按下启动 按钮时 ，计数器增加 l ，与计数器值对应的电机就开始运 行；当按停止按钮时，计数器减少1 ，正在运行的最大编号 电机停止运行。由此可以看出，使用计数器进行控制的核 心是将计数器的计数值与启动 、停止按钮 、电机的运行关 联起来，而要能够联系起来，就必须得到计数器的准确数 值。如图2 所示 ，给出了使用计数器为核心元件的P L C 梯形 图。 该编程方法 中，一是计数器必须使用增减计数器，以 便实现启动和停止按钮的双向计数；二是梯形图中使用了 比较指令 ，以获得准确的计数器数值 ，确定应该启动或停 器 麦旦 C口 卜_ 口O 1 卜_ ． 口 o2 卜 0o 3 卜_ 口 o 4 卜_ 图2基于计数器和比较指令的梯形图 Fi g 2 Ba s e d O N t h e c o u n t e r a n d mo r e i n s tr u c t i o n s l a d d e r d i a g r a m 止哪 台电机。由于计数器本身是对脉冲进行计数 ，因此不 需额外增加对启动和停止按钮的脉冲化处理；三是增计数 端和减计数端进行了限制，避免产生大于5 和小于0 的数而 致使控制失效的问题。 以计数器为核心元件的实现方法，突出了计数器和比 较指令的灵活应用 ，程序简单高效，一 目了然 ，学生易于 理解和思考 ，但对计数器的使用，计数器的位 、计数器的 值在P L C 中的存储要有比较深入的了解。而且由于传统P L C 的逻辑都是位逻辑 ，这里却使用了和计算机编程语言中类 似的比较指令 ，对学生具有很大的挑战性。以此作为项 目 的载体 ，实现对计数器指令、比较指令的学习，也是比较 理想的。 4基于移位循环指令的实现方法 在学过移位循环指令的情况下 ，可以考虑使用这些指 令尝试解决问题 。使用移位循环指令时，将q o ． 0 ～ q o ． 4 所 在的Q B 0 当作一个整体进行处理。当捕获到一个启动信号 时，一方面实现使Q O ． 0 到Q O ． 4 的输出向右移动，一方面将 捕获的信号填充到Q O ． 0 的位置 ，直到Q O ． 0 到O O ． 4 全部都变 成l 为止，相应电机运行 ；当捕获到一个停止信号时，让 Q B O 的每一位左移 ，直到q o ． 0 到q o ． 4 全部变成0 为止，相应 电机停止运行 ；当按下紧急停止按钮后 ，对QO ． 0 到Q O ． 4 的 输出点全部进行复位；由于移位循环指令不是按照脉冲信 号进行处理的，因此增加了上升沿脉冲捕获指令；尤其要 说明的是P L C 中的字节低位在右，高位在左，程序中要使 用字节的右移位 ，才能完成5 个电机的依次停止 ，如图3 所 示。 以移位循环指令为基础的5 台电机启停的控制方法，使 用了移位寄存器指令和右移字节指令 ，其中综合了上升沿 捕获指令和复位指令，程序简洁明了，该方案不但包含了 大量关于P L C 信息存储的细节知识 ，而且包含了对字节和 位进行操作的内容 ，对学生的学习提出了比较高的要求 ， 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 作为学习项 目的载体 ， 具有很好的启发性。 日 窒塑告日 oo o 卜 一 5 图3基于移位循环指令的梯形图 F i g 3 Ba s e d o n t h e l a d d e r d i a g r a m o f t h e s h i ft c y c l e i n s t r u c t i o n 5结束语 “ 课程作为人才培养的核心， 跨界的高职课程改革， 也就 必然要求有跨界的思考”[ 5 】 ，项 目教学法中教学项 目的选 取 ，不仅要具有完整的生产实践背景 ，还要符合高职教育 的教育规律。 “ 5 台电机的启停”控制项目不仅具有实际的 应 用背景 ，而且具有相 当的难 度和开放性 ，学生 必须通过 对不同知识内容的灵活运用，才能完成任务的要求 ，是一 个具有一定综合性和代表性的教学项 目。通过三种解决方 案实现同一项 目，不仅通过不同知识点的运用实现了相同 的控制功能，很好的体现了项 目的开放性 、迁移性特征 ， 而且可以克服学生思维定势的消极影响， 培养学生看问题不 归于一点， 善于从多方面寻求解决办法的习惯阎 。 多年的实践证明 ，通过在项 目教学法 中采用开放式 P L C 程序设计方法 ，能在不同控制方案的实现过程中，促 进学生的发散思维，发展求异思维 ，打破习惯性思维程 序 ，赋予学生开拓创新意识 ，在问题的不同解决方案的实 现过程中，调动学生学习的 积极性和主动性 】 ，是一种值 得推广的方法。 参考文献 [ 1 】 戴茂良． 项 目教学法在P L C 课程教学中的应用U ] 职业技术教 育， 2 0 0 8 3 5 3 9 4 0 ． [ 2 】 姚庆文， 丁辉． P L C课程的项目教学设计与实践卟 职业教育研 究， 2 0 0 9 ， 1 2 8 1 - 8 2 ． 【 3 ] 姜 万平 ． 学 生 发散 型 思 维 的培 养 [ J ] ． 彭 城 职 业大 学 学 报， 2 0 0 0 ， 1 5 2 3 4 3 5 ． [ 4 1 叶忠国． 职业教育中充分调动学生学习数学的主动性Ⅱ ] ． 中南民 族大学学报 人文社会科学版， 2 0 0 5 3 5 3 4 8 3 4 9 ． [ 5 ] 姜大源． 论高职教育工作过程系统化课程开发U ] 徐 州建筑职业 技术学院学报， 2 0 1 0 1 1 6 ． [ 6 】 赵嘉璐 培养学生的思维能力使学生成为课堂的主角Ⅱ J l 职业教 育研究， 2 0 0 6 ， 1 1 9 5 9 6 ． [ 7 】 赵 占芳． 在程序设计中一题多解培养学生的创新思维卟 科教文 汇 下旬干 0 ， 2 0 1 2 ，3 5 0 5 1 ． 投稿 日期 2 0 1 4 - 0 5 0 9 作者简介曾兴柱 1 9 7 3 -，男，学士，主要从事热工自动控制 专业的教学及教学管理工作。 El C Vo 1 ． 2 1 2 0 1 4 N o ． 4 1 9