知识映射在PLC首次课堂教学中的应用

李翔

摘要：本文针对当前PLC有关教材中的一些不足，进一步明确了继电器系统与PLC系统中相关术语的对应关系，定义了有关的逻辑意义，从而建立起两者间的完全映射关系，提出了相关问题的课堂教学思路与建议。遵循此新的思路与建议能让初学者在PLC的首次课堂中就能理解好相关基本概念，并为继续学习和实践树立信心打下基础。

关键词：PLC；继电器；控制电路；逻辑运算

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）04-0283-02

一、引言

PLC的中文全称为可编程序逻辑控制器。当今随着微处理器、计算机和数字通信技术的迅速发展，计算机控制已经广泛地应用在各种工业领域。为适应现代社会市场发展，满足生产设备和自动生产线的控制系统具有极高的可靠性和灵活性的要求，以微处理器为基础的通用工业控制装置PLC顺应出现。PLC相关课程是高等院校电气信息类专业必修的一门实践性较强的专业基础课程。掌握好PLC的有关原理和操作，对于实践开发和进一步学习具有重要意义。

根据最近的教学经验，虽然PLC实践性较强，但是学生对PLC本身的设计思想和基本概念把握不好仍然会心有凝虑，这会影响学生敢想敢做的心态，实践效果并不很理想。这些思想和概念理论不是很深，但又有必要在所开设课程的早期澄清，以使得后面的相关实践过程顺畅。PLC是讲芯片及应用的，然而从产生的角度来看又与单片机、DSP等课程有所区别。PLC追求的是集成和替代，有早期继电器控制系统的影子在里面，因此对PLC原理的理解不能脱离早期的继电器控制系统。

二、问题陈述

PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，而且梯形图中的某些软元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等。如图1所示，继电器结构主要由电磁线圈、铁心、触点和复位弹簧组成。继电器有两种触点，线圈断电时处于断开状态的触点称为常开触点，处于闭合状态的触点称为常闭触点。线圈通电时，电磁铁产生磁力，吸引衔铁，使常闭触点断开，常开触点闭合。线圈电流消失后，复位弹簧使衔铁返回原来的位置，常开触点断开，常闭触点闭合。一个继电器可能有若干对常开触点和常闭触点。在继电器电路图中，用同一个由字母、数字组成的名称（如KA2）来标注同一个继电器的线圈和触点。

图2是用交流接触器控制异步电动机的主电路、控制电路和有关的波形。接触器的结构和工作原理与继电器基本相同，区别仅在于继电器触点的额定电流较小，而接触器是用来控制大电流负载的。按下启动按钮SB1，它的常开触点闭合，电流经过SB1的常开触点和停止按钮SB2以及作过载保护用的热继电器FR的常闭触点，流过交流接触器KM的线圈。接触器的衔铁被吸合，使主电路中的三对常开触点闭合。异步电动机的三相电源被接通，电动机开始运行，控制电路中接触器KM的辅助常开触点同时接通。放开启动按钮后，SB1的常开触点断开，电流经KM的辅助常开触点和SB2、FR的常闭触点流过KM的线圈，电动机继续运行。KM的辅助常开触点实现的这种功能称为“自锁”或“自保持”，它使继电器电路具有类似于RS触发器的自锁功能。

在电动机运行时按停止按钮SB2，它的常闭触点断开，使KM的线圈失电，KM的主触点断开，异步电动机的三相电源被切断，电动机停止运行，同时控制电路中的KM的辅助常开触点断开；松开停止按钮SB2，其常闭触点闭合后，KM的线圈仍然失电，电动机继续保持停止运行状态。相关信号的波形在图2中给出，图中用高电平表示1状态（线圈通电、按钮被按下），用低电平表示0状态（线圈断电、按钮被放开）。显然图2中的控制电路具有记忆功能，在继电器系统和PLC的梯形图中被大量使用，它被称为“起动—保持—停止”电路，或简称为“起保停”电路。

某些物理量只有两种相反的状态，例如电平的高、低，接触器线圈的通电和断电等，他们被称为开关量。二进制数的1位只能取0和1这两个不同的值，可以用他们来表示开关量的两种状态。梯形图中的位软元件（如辅助继电器M和输出继电器Y）的线圈通电时，其常开触点接通，常闭触点断开，以后称该软元件为1状态，或称该软元件为ON。位软元件的线圈和触点的状态与上述的相反时，称该软元件为0状态，或称该软元件为OFF状态。使用继电器电路或PLC的梯形图可以实现开关量的逻辑运算。梯形图中触点的串联可以实现“与”运算，触点的并联可以实现“或”运算，用常闭触点控制线圈可以实现“非”运算，如图3所示。

三、教学思路与建议

遵循上述过程介绍物理继电器、异步电机控制及梯形图中的基本逻辑运算，留给初学者的印象是PLC中的常开、常闭及线圈与物理继电器的相应元件有对应关系。然而梯形图中元件旁边的标号表示什么含义？不同的元件旁边的标号可以一样，与继电器对应关系又如何并没有明确说明。如果有以上对应关系，它们与其对应表示元件的逻辑关系又如何呢？这涉及到理解PLC系统本身设计的思想。因此，为方便从本质上说明PLC系统的有关编程元件与实际物理继电器的对应关系，我们定义如下逻辑关系：继电器不工作或工作分别定义为逻辑0或1，触点断开或接通分别定义为逻辑0或1，线圈失电或得电分别定义为逻辑0或1。于是我们详细给出了如下各元件名字的对应关系和逻辑意义。

教学过程中在以上映射图的基础上应按照如下几个方面加以强调和讲授。

1.用线圈或触点的状态来描述软元件（或软继电器）的状态容易转移学生的注意力，造成对PLC中软元件本身含义不清。软元件本身就有1状态或0状态，这与物理继电器的状态相对应，利用存储器中的一位逻辑变量来表示，这需要占用资源。如软元件Y0，当对应的位变量Y0=1时，就说此软元件为1（ON）态；当对应的位变量Y0=0时，就说此软元件为0（ON）态。软元件Y0处于1态时，其常开触点闭合，常闭触点断开，线圈得电；软元件Y0处于0态时，其常开触点断开，常闭触点闭合，线圈失电。

2.梯形图中的字母如Y0表示的是软元件（或软继电器），它对应PLC中存储器中的一个逻辑变量。软元件Y0的状态为0时，表示其常开触点断开，常闭触点闭合，线圈失电；软元件Y0的状态为1时，表示其常开触点闭合，常闭触点断开，线圈得电。因此，常开（常闭）触点或线圈旁边的符号Y0并不表示这个触点或线圈本身，触点和线圈本身的逻辑与其对应的软元件Y0的逻辑又有关系，应明确的将这些触点或线圈视为软元件Y0的常开（常闭）触点或线圈。

3.梯形图中同一个软元件如Y0的常闭或常开触点及线圈可以使用任意多次，这些触点和线圈本身涉及的状态是通还是断、是得电还是不得电，它们仅与存储器中的逻辑变量Y0有关，Y0才是用到的PLC资源。

4.在图2交流接触器控制异步电动机的控制电路中，触点旁边的标记符号，如SB1应理解为表示相应物理继电器，而SB1旁边的触点（或称为开关更恰当，以示与梯形图中的触点相区别）应称为继电器SB1的触点。在这里，很多初学者会将这些标记符号视为代表触点（开关）或线圈本身，这是不对的。

四、结论

知识映射是一种好的学习方法，在教学中加以灵活运用也可以达到很好的教学效果。这就需要专任教师在教材教法上要多下功夫。通过以上教学思路和建议，学生通过第一堂PLC的学习，可以理解和掌握好PLC系统设计的思想。有些概念可能学生通过第一堂课并不能深刻掌握和记忆，这需要在以后的教学中加以重复和提醒。总之，经验表明，通过以上思路的教学，学生能够深刻理解PLC系统的本质，这为以后的进一步教学和实践活动打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]三菱电机.FX3U，FX3UC微型可编程控制器编程手册[Z].2009.

[2]廖常初.跟我动手学FX系列PLC[M].机械工业出版社，2012.

[3]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].第2版.机械工业出版社，2013.

[4]张培志.电气控制与可编程序控制器[M].北京：化学工业出版社，2007.endprint