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