PLC实验教学中的开放式思维教学法研究

摘要：阐述了一种开放式思维教学法运用于实验教学中的实例，即在PLC实验课程中用学校现有的实验设备，想方设法利用所学知识设计满足实验控制要求的不同的梯形图程序。本文以两处卸料小车控制系统为例，启发学生采用两种不同的设计方法――经验设计方法和顺序设计方法来设计梯形图程序，实验结果表明，采用这两种设计方法都可以设计出满足控制要求的梯形图程序。因此，采用开放式思维进行实验教学可以使学生更好地掌握PLC的理论知识，同时也激发学生的学习兴趣，使整体教学质量及教学效果有明显的提高。

关键词：开放式思维教学法;经验设计方法;顺序设计方法;教学效果

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）33-0106-02

如何上好PLC可编程控制器这门比较新型的课程的实验，是我一直在摸索和探讨的问题，通过这几年来对PLC理论和实验教学的经验，发现在实验课程时如果能够利用有限的实验设备资源，通过选用合理的实验类型，让学生在做实验时发挥他们的独立思维、创新设计能力[1]，可以激发学生的学习兴趣，提高学习PLC的效果。

以往实验课，在进行PLC理论知识的讲授后，为了节省时间，完成实验数据测量，往往把事先准备好的实验程序也告诉了学生，甚至直接把现成的指令或梯形图已储存在电脑中[2]。学生只要进行简单的PLC的接线，直接把现成的指令语句导入编程器中就可以调试了。这样的实验结果往往是成功的，但这种实验方法不利于学生能真真切切地掌握PLC的编程调试操作，以及解决PLC调试过程中出现的问题。

一、开放式思维教学法

在此，我尝试了进行PLC实验教学的改革。采用开放性思维进行实验教学，即在实验课程中用学校现有的实验设备，想方设法利用所学知识设计满足实验控制要求的不同的梯形图程序，学习PLC的应用方法[3]。然后再进一步要求学生利用已经熟悉PLC的I/O端口的接线，的电源电压要求，将PLC的梯形图设计程序导入以及进行操作调试，逐步加深了解可编程控制的实际应用。

PLC有多种程序设计语言，其中最常用的是梯形图和指令语句表[4]。我系PLC实验室中采用的是大家比较容易接受同时又容易学会的梯形图语言。它是以计算机软件技术为基础，形成人们习惯使用的继电器模型，形成一套自己独特的以继电器梯形图为基础的编程语言。可编程控制器内部各种等效继电器的触点和线圈的图形符号、动作原理和常规继电器控制中的动作原理完全一致。所以学生只要简单了解可编程控制器的工作原理和它的编程技术之后，就可进行一定的应用设计，继而将PLC用于现实的电气控制系统中[5]。这就要求教师从实际应用的角度出发，去精选各种典型的PLC控制的案例，将案例教学法与开放式思维教学法很好的结合起来，才能达到最佳实验教学效果[6]。

二、PLC实验案例教学实例――两处卸料小车控制系统

本次案例是发生在一次普通的PLC实验课程中，实验的项目是进行两处卸料小车的梯形图设计，并在实验台上用输出指示灯的点亮和熄灭模拟右行接触器、左行接触器、装料电磁阀、卸料电磁阀的启动和停止，该项目的控制要求是当小车碰到最左边的行程开关ST1开始装料，15秒后装料完成后右行，碰到中间的行程开关ST2开始卸料，10秒后卸料完成后左行，当小车碰到最左边的行程开关ST1开始装料，15秒后装料完成后右行，直到小车碰到最右边的行程开关ST3时才卸料，10秒后卸料完成后左行。如此反复。

按照通常的设计方法，学生应该首先进行I/O分配[7]，根据上述控制要求中提及的输入输出触点可以这样分配。输入包括：右行启动按钮SB1为00000，左行启动按钮SB2为00001，停止按钮SB3为00002，最右边的行程开关ST3为00003，最左边的行程开关ST1为00004，中间的行程开关ST2为00005。输出包括：右行电磁阀01000，左行电磁阀01001，装料电磁阀01002，卸料电磁阀01003。而I/O分配之后就是按照各个输出触电考虑什么情况下使小车右行，什么情况下小车将停止右行;什么情况下使小车左行，而什么情况下小车停止左行，什么情况下小车开始装料，什么情况下停止装料;什么情况下使小车卸料，什么情况下小车停止卸料。在考虑清楚这些因素后就可以画出系统控制的梯形图了。而这个项目的难点在于小车右行，如何处理奇数次碰到ST2停下来卸料，而偶数次碰到ST2却不停下来的问题，这都出现在右行过程中，因此在撰写小车右行的梯形图程序时应该用一个中间继电器20000来辅助判断小车右行的情况，奇数次碰到停下来右行可以用ST2的常闭触点作为小车右行的停止条件，而当触碰到ST2时同时将20000线圈启动，这样等到偶数次右行时，可以通过20000线圈为ON从而使得小车得以继续右行，根据这种分析思路可以得到采用经验设计方法设计的梯形图程序如图1所示。

而在该实验中有一个学生做出的设计却让我感到该学生遇到问题时能够脱离常规教师的引导，利用自己已学的内容去解决实际问题的综合实践能力很强，他考虑用到理论课上学过的顺序控制设计方法来设计这个项目，他觉得小车这整个过程满足顺序控制的特点――规律性强、时序清晰，可以用如图2来描述其整个控制过程。

如果这样就不需要考虑小车右行时两次碰到中间的行程开关ST2该如何处理了，并且可以通过I/O分配后画出功能表图，然后根据功能表图转换成梯形图，这样设计起来同样可以满足控制要求，而且更容易让人理解该梯形图设计。

该学生进行的I/O分配如下：输入包括：最左边的行程开关ST1为00001，中间的行程开关ST2为00002，最右边的行程开关ST3为00003，启动按钮为00004，停止按钮为00005;输出包括：右行电磁阀01000，左行电磁阀01001，装料电磁阀01002，卸料电磁阀01003。

根据刚刚的控制过程可以将分为从20000步到20008步，20000步是初始等待步，它的启动条件是PLC通电后或碰到最左边的行程开关，等启动按钮00004按下而停止按钮00005没有按下时，进入到20001步，即装料，等到装料定时时间到时进入20002步，即右行，等碰到中间的行程开关00002时进入20003步，即卸料，等到卸料定时时间到时进入20004步，即左行，等到碰到最左边的行程开关00001时进入20005步，即装料，等到装料定时时间到后进入20006步，即右行，等到碰到最右边的行程开关00003时进入20007步，即卸料，等到卸料定时时间到后进入20008步，即左行，等碰到最左边的行程开关00001时回到20000步初始等待，如此反复。

将上述I/O分配结合控制流程图，可以得到功能表图。根据功能表图转换成梯形图的原则[8]，可以将上述功能表图转换成如图3所示的梯形图。

将该学生设计的梯形图程序放到西门子step7 micro win v 4.0 sp3中去，经过编译后，下载到PLC主机中，发现程序运行结果与前面常规设计的梯形图程序的运行结果相同。

三、总结

通过以上实验案例，可以发现，PLC课程设计的程序几乎没有固定的答案，不存在标准答案。在教学过程中，教师要鼓励学生自由探索、大胆质疑[9]，及时提出自己的看法和见解，只要学生分析的有道理，就应该尝试去做，并对这种想法予以肯定。

总之，采用开放式思维进行实验教学在PLC实验教学过程中起到很重要的作用，已起到较好的教学效果。它不仅使学生更好地掌握PLC的理论知识，同时也激发学生的学习兴趣，使得更多的学生能开动脑筋积极地参与，强化了动手能力，培养了学生分析问题、解决问题的综合能力，使整体教学质量及教学效果明显提高[10]。同时，在教学过程中我们要科学地综合多种教学方法，这样的教学才能以有效的方式向学生传递教学内容，才能调动学生的实验学习的积极性。

参考文献：

[1]郭丙君.PLC实验教学探讨[J].科技信息，2011，（7）：482.

[2]梅文.PLC实验教学法的应用[J].西部科教论坛，2010，（3）.

[3]屈刚.案例教学法在PLC教学中的运用于探索[J].职业，2012，

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[4]刘曼，万嵩.“教―学―做”一体化教学法在《PLC应用技术》课程中的应用[J].成人教育，2011，（10）：95-96.

[5]李海波，徐瑾瑜.PLC应用技术项目化教程[M].北京：机械工业出版社，2012.

[6]黄崇莉.案例教学法在《机床电气控制与PLC》课程的应用[J].黑龙江科技信息，2011，（22）：196.

[7]马慧.PLC实验教学方法初探[J].教师论坛，2002，（1）：35-36.

[8]周忠，彭小平.电气控制与PLC应用技术（理实一体化项目教程）[M].北京：机械工业出版社，2013.

[9]余慧卿，徐绍芬.电气控制与PLC技术实验教学改革[J].实验室研究与探索，2005，（24）：240-241.

[10]张婕，徐武.设计性实验教学与案例分析[J].实验技术与管理，2007，11（24）：129-130.