电路状态展示教具制作

杨常秀

（广西贺州高级技工学校，广西贺州 542899）

1 教具成品制作

如图1所示，此教具是一个完整的电路，包括电源（空气开关）、导线（LED 灯带模拟代替）、控制开关（家用常见按键开关）、负载（LED 灯）四个部分构成。在面板上的实物分别是空气开关QF，灯带一共3节，普通家用开关，E27螺口灯座及LED 灯泡，还有一张对应的电路原理图。

图1 电路工作状态展示教具的实物图

利用一块制作广告的泡沫白板，分别将型号为DZ47LE 的2P 漏电空气开关置于面板上的开孔处，三段220 V 的LED 灯带粘贴在面板上，家用开关、螺口E27灯座用双面胶粘贴于面板上，并在灯座上拧上220 V 的LED 灯HL。电源线、三段灯带、控制开关、灯座的线通过在面板上开孔后，接到面板后面的型号为三菱PLC2N-48MR 的PLC 的相应输入输出端口。灯带完整电路的工作状态包括：开路、通路、接触不良、短路四个状态。

其中只有开路、通路是正常状态，接触不良、短路都是不正常状态，要避免出现。尤其是短路状态，在现实中危害是比较大的，通过展示教具可以达到突出强调的作用。本教具具有将电路状态进行动态演示的效果。让学生通过观看并由老师解释后能轻松掌握电路的基本组成、四种工作状态及其特点，达到教具应该具备的促进教学开展的效果。并且该电路工作状态展示教具整个工作流程是用PLC 控制的，可以根据实际教学情况随时改编程序达到所期待的教学效果。

2 教具控制要求及工作原理

空气开关QF 至开关SA 这一节灯带标为灯带1，开关处于断开状态时，只要空气开关闭合，在连接好外部电源的情况下，这节灯带1是常亮状态，表示这段导线已经有电压，此时电路处于开路状态，也是正常的工作状态。

（1）按下开关SA，灯常亮，开关至灯之间这节灯带是灯带2，灯至电源零线端是灯带3。灯常亮，灯带1、灯带2、灯带3按流水灯的形式亮，说明电路处于通路状态，电流在线路中由L 流向N。这时的工作状态是正常的状态。断开开关后电路恢复到开路状态。

（2）按下开关SA，灯、灯带1、灯带2、灯带3都处于闪烁状态，此时表示电路处于接触不良的状态，电路中电流时有时无。这种状态是不正常的，在实际生活中存在的，是一种不正常的故障状态。断开开关后，电路恢复到开路状态。

（3）按下开关SA，灯不亮，只有灯带1、灯带2、灯带3流水状亮一次后空气开关QF 跳闸，说明电路处于短路状态。此时是非常不正常的，在实际中如果没有空气开关和熔断器可能会出现烧线路而引发火灾可能的故障状态，一定要避免出现。断开开关，空气开关重新合上后电路恢复到开路状态。至此电路工作的四个状态演示完毕，再次按下开关SA 后可以重复以上操作。

3 PLC控制原理及程序设计和下载调试

3.1 控制原理

图2是状态流程，主要分成5个部分。

图2 状态流程

（1）程序的初始化状态，主要是在此状态下不能有输出及进行计数器清零。

（2）开路状态，只有灯带1是常亮。

（3）通路状态，灯常亮，灯带1、灯带2、灯带3流水灯状态亮。

（4）接触不良状态，灯带1、灯带2、灯带3、灯都是闪亮状态。

（5）短路状态，灯不亮，灯带1、灯带2、灯带3流水亮一次后空气开关跳闸。

状态流程图清晰地展示了各部分之间的跳转关系。状态流程图的编程思路是在PLC 教学过程中教师要着重交给学生的编程思维，该教具的程序编写部分也可以改编成为一个学习任务，让2年级的学生在PLC 实训课上进行实施，可以加深学生对电工基础知识的理解。状态流程图既方便编程，同时在调试阶段也易于查找需要更改的部分程序。

3.2 I/O地址分配

I/O 分配表需要在编程之前分配好，只有分配好地址，才能明确输入输出的实际意义。输入量只有开关X0，空气开关X1；输出量有灯Y0（HL），灯带Y1（HL1），灯带Y2（HL2），灯带Y3（HL3），灯HL4（Y10）。具体I/O 地址分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配

3.3 外部接线图

此教具外部接线原理如图3所示，空气开关QF合上之后，PLC 接通电源通电，同时输入端X1经空气开关的N 线路到COM 形成闭合回路，用于控制灯带HL1的输入信号。X0与开关SA 串联，用于控制灯的状态切换的输入信号。Y0输出用于控制灯HL，Y1输出用于控制灯带HL1，Y2用于控制灯带HL2，Y3 用于控制灯带HL3，Y10 用于控制灯HL4。当Y10有输出时，灯HL4亮起的电流只流过空气开关的N，电流不平衡，经过空气开关QF 放大机构放大，空气开关跳闸，模拟短路情况。

图3 PLC外部接线

3.4 程序设计

图4是设计并安装调试成功的程序。程序解释具体如下：0步开始是计数器计数满3次后C0接通，并在开关SA 断开瞬间清零。5步开始是开关SA 通电瞬间计数器C0计数一次，记满3次后不再计数，同时需要在0步条件时清零后才能重新计数。10步开始是在空气开关上电瞬间，并且是在负载灯HL1断开状态跳转至初始化状态，执行一个空输出M0。17步开始是空气开关上电瞬间或者是按下SA 的时候Y1有输出，点亮第一节灯带HL1让其长亮。27到43步是电路通路、接触不良和短路三个状态的选择条件。51 步开始是电路处于通路状态，灯HL 常亮，灯带HL1、HL2、HL3流水灯亮。75步开始95步以及115步至120步是短路转态灯带HL1、HL2、HL3流水灯亮一次后Y10接通负载灯HL1亮起，带漏电功能的空气开关在只有单线接入状态下会电流不平衡触发自动跳闸模拟短路跳闸。99步开始至112步是接触不良状态，灯HL1及灯带HL1、HL2、HL3都在闪烁状态。

图4 完整程序

4 后续开发设想

在原有教具的基础上可以加入触摸屏模块，通过PLC 控制并用触摸屏中的流动块代表电流的定向流动，让电流的流动看起来比现在使用灯带流水灯演示更加的形象生动，促进学生理解，帮助实现教学目的。后期的改造升级可以结合本校的实际，不需要再投入经费就可以产出，是一个很好的教学研究载体。也可以考虑把三节等待变成更多的灯带，让流水灯亮起来更加美观和符合审美。

5 结束语

（1）自制教具符合科学性，能准确、客观地呈现要展示的相关联的科学知识点。制作教具的教师本人首先要对相应的物理知识要有正确、清晰的理解，从科学的角度出发，做到概念正确，观点严谨、不能出现和现有物理知识体系相违背的地方。

（2）尽量选用教学过程中能接触到的实验材料，因地制宜、物尽所能。制作的教具在教学使用过程中必须安全可靠，不能存在安全隐患。

（3）能激发学生学习兴趣，打开学生探索知识的大门。有趣的实验，能极大激发学生的学习热情，引导学生进入神奇的物理世界，思考其中的奥秘。

（4）教师本身的知识技能要足够的丰富，同时眼界要更宽阔。因为只有知识技能丰富，眼界高看得远，才能根据身边现有的东西，自己动手完成教具的设计制作。