云南工业技师学院 云南 曲靖 655000
在PLC一体化教学中，课程教学通常应包含基本逻辑指令的使用、步进顺控指令的使用、定时器、计数器等内容。如何引导学生循序渐进地学习这些内容？在组织教学时，既要考虑引导学生对课程的兴趣，也要兼顾学生的兴趣及接受能力。本文就以十字路口交通灯为例，用四种不同的方法，在教学中引导学生循序渐进，逐步掌握PLC基本的编程方法及指令应用。
一、十字路口交通灯的控制要求
在课题开始前，可以先带领学生想想大家平时过十字路口时红绿灯是如何有条不紊地指挥车辆和行人安全通行的、交通灯是怎么控制的、用PLC控制交通灯的便捷性等，继而引入本课题的控制要求。对照图一交通灯控制系统示意图和图二交通灯控制系统时序图，讲解清楚本课题的控制要求。交通灯控制系统由一个启动按钮和一个停止按钮控制。当按下启动按钮时，系统开始工作：
首先东西红灯亮并维持25秒，与此同时南北绿灯亮20秒，闪烁3秒后熄灭，南北黄灯亮2秒后与东西红灯同时熄灭；此时南北红灯亮并维持25秒，同时东西绿灯亮20秒，闪烁3秒后熄灭，东西黄灯亮2秒后与南北红灯同时熄灭。如此循环。当按下停止按钮，交通灯系统停止工作。
二、I/O地址分配
学生理解控制要求后，针对本课题找出所需要使用的输入及输出是哪些，即提供输入信号的是什么、被控制的输出对象有哪些。带领学生分析可知，本课题有两个输入，即启动按钮和停止按钮；六个输出，即东西红灯、东西绿灯、东西黄灯、南北红灯、南北绿灯、南北黄灯。根据控制要求，进行I/O地址分配。
三、系统安装接线图
根据控制要求，设计交通灯系统安装接线图，如图三所示，并根据此图安装接线。在引导学生设计安装接线图时需要注意停止按钮用常开还是常闭。若安装接线图中停止按钮使用常闭触点，那么在编制PLC梯形图程序时，停止按钮就要用常开点；反之就用常闭点。很多学生在这个地方不容易理解，主要是由于对PLC的工作原理掌握不透彻。这时可以对PLC工作原理、输入继电器、输出继电器等内容再进行一次复习回顾。
四、编制程序（一）
在已经学习了PLC的课题，如电动机正反转、送料小车两地送料自动往返等课题的基础上，学生已经具备一定的基础及编程的思路，对定时器的使用有了初步了解。在学生对控制要求理解后，引导其自己动手开始尝试。
这是一个典型的时间控制的课题，每一个灯的工作都是有顺序的，所以学生在进行尝试以后，配合教师的巡回指导，基本能编制出程序。程序如图四所示。
编制此程序的思路是：按下启动按钮，东西红灯亮Y000得电，同时T0开始计时20秒，且南北绿灯亮，Y001得电；20秒后T0计时结束断开南北绿灯Y001常亮回路，启动Y001闪烁回路，且T1开始计时3秒；3秒后T1计时结束断开Y001闪烁回路，接通南北黄灯Y002得电，同时T2开始计时2秒；2秒后T2计时结束，断开东西红灯Y000失电，断开南北黄灯Y002失电，同时接通南北红灯Y003得电，接通东西绿灯Y004得电，T3同时开始计时20秒；20秒后，T3计时结束，断开Y004常亮回路，接通Y004闪烁回路，且T4开始计时3秒；3秒后T4计时结束，断开Y004闪烁回路,接通东西黄灯Y005得电，同时T5开始计时2秒；2秒后T5计时结束，断开南北红灯Y003失电，断开东西黄灯Y005失电，并同时断开T0回路，使所有定时器失电全部复位，东西红灯、南北绿灯亮，实现循环。此程序在编制初期，学生一般都是直接使用启动按钮X000让Y000线圈得电自锁，但在一个周期完成后，就无法自动循环，Y000无法得电，必须再次按下启动按钮，这样就没有完成控制要求的循环功能。这时就可以引导学生使用辅助继电器M0，用X000来接通M0，再借助M0的常开触点来接通Y000。那么在一个周期结束时，只需要让所有定时器失电复位，再次能让Y000得电，程序就会循环执行。所以一个周期结束，需要用T5的常闭触点来断开T0，使所有定时器失电复位。由于M0仍然得电，所以定时器复位后，Y000和Y001再次得电，实现循环，停止时只需要使辅助继电器M0失电即可。
五、编制程序（二）
这种程序设计思路，学生容易理解，但在完善程序时学生容易被定时器什么时候得电又该在什么时候断电理不清楚，用来断开输出的常闭触点无意中把不该断开的定时器断了等问题搞混。只有经过不断尝试，把思路搞清，才能把程序完善，最终实现正确的控制要求。在学生把程序设计出来以后，我们在讲解的时候可以把学生遇到的问题进行总结，再引导学生思考本课题有没有更简单一点的程序设计方法，引导学生注意交通灯从开始工作到一个周期结束是典型的时间控制，一个循环总时间是50秒，循环对每一个灯都是以时间开始、时间结束。从时序图容易看出，在一个循环周期，东西红灯是按下启动按钮开始亮到第25秒熄灭，南北绿灯从按下启动按钮亮到第20秒熄灭，从第20秒开始闪烁到第23秒熄灭，南北黄灯从第23秒开始亮到第25秒熄灭；南北红灯从第25秒开始亮到第50秒熄灭，东西绿灯从第25秒开始亮到第45秒熄灭，从第45秒开始闪烁到第48秒熄灭，东西黄灯从第48秒开始亮到第50秒熄灭。在交通灯工作的一个周期内，一共有八个时间，通常可以用八个定时器，但其中有两个25秒定时器的可以用其他定时器替代，所以课题用六个定时器即可，那么问题的关键是定时器何时开始工作、何时结束。一个周期总时间是50秒，那么我们就可以让定时器都在按下启动按钮时就开始定时，就解决了定时器的问题，那么难点也就解决了。
根据这个思路，经过思考，学生就会想到将所有定时器都在按下启动按钮时就通电。这个时候需要注意，可以有两个方法：一个是用T0的常开触点接通T1，T1常开触点接通T2，以此类推；二是引导学生将定时器并联起来，如图所示，这样结构一目了然。但需要注意对定时器的设定值做累加，这样定时器全部开始工作，剩下的就是对于六个交通灯的启动和停止了。此种方法设计出来的程序，结构清晰，思路简单。
对于十字路口交通灯的控制，学生在学习并实践了这两种编程方法后有了更深刻的理解。在教学过程中，学生已经对基本指令进行了四至五个课题的练习，对于定时器、计数器也已经进行过练习，教学的下一个内容应该到步进顺控指令编程。我们可以用学生已经很熟悉的交通灯来引入步进编程的思想及方法。
六、编制程序（三）
采用经验设计法和继电器电路转化设计法设计梯形图程序，设计方法不规范、难于掌握，设计时间长，没有完整的、固定的步骤可以遵循。同样的控制功能，不同的人来设计程序，最后完成的梯形图程序各不相同。对于联锁关系复杂的控制，编程非常困难，并且容易出错，程序的修改工作非常复杂，采用顺序控制设计法，应用步进指令编程可以有效地解决上述问题.
从十字路口交通灯的控制要求来分析，根据控制系统输出状态的变化将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，即：按下启动按钮，东西红灯亮、南北绿灯亮；20秒后东西红灯亮、南北绿灯闪烁；3秒后东西红灯亮，南北黄灯亮；2秒后南北红灯亮、东西绿灯亮；20秒后南北红灯亮、东西绿灯闪烁；3秒后南北红灯亮、东西黄灯亮；2秒后，开始下一个循环。这样，可以把整个工作周期划分为六步，每一步之间的转换条件为时间。在步和转换条件确定后，即可画出顺序功能图，如图六所示。
在引导学生分析完控制要求，将步和转换条件确定好并画出顺序功能图后，让学生自己用SFC输入程序，接线并进行调试。学生在调试过程中会发现交通灯控制系统一直运行，在步进顺序控制时，又该如何停止呢？此时可以引导学生展开想象，在用基本指令编程时，停止就是让回路失电的过程，在用步进编程时，需要在什么地方停止，只要让该活动步直接跳转到初始步即可。学生针对停止去修改程序，在每一步的输出中都加入跳转到初始步S0，这样就可以实现任何时候按下停止按钮都可以停止。但学生会发现这样停止很麻烦，有没有更简单的方法？这时可以给学生介绍区间复位指令ZRST，在步进程序之外，用ZRST指令将所有状态继电器S20至S25全部复位。学生自己尝试修改程序，在不断的调试过程中会发现一个问题，就是停止后无法再次启动。这是因为步进顺序控制编程时，每一个步要变为活动步必须具备两个条件，一是上一步为活动步，二是转换条件满足。满足这两个条件上一步变为不活动步，跳转到当前步变为活动步，所以停止后无法再次启动的原因是S0不是活动步，所以按下启动按钮，S20不能变为活动步，程序没有反应。引导学生再解决这个问题，即停止时还需要让S0变为活动步，为S20得电做准备，如图七所示。按下停止按钮SB2， X001常开触点闭合，复位S20至S25同时让S0得电，为下一次启动做好准备。
七、编制程序（四）
用单分支顺序功能图设计程序，经过输入程序并调试结束，学生已经对步进顺序功能图编程有所了解，但单分支只适用于所有输出只按照一条线走，没有多个输出同时执行的情况。这时我们可以引导学生再来回顾交通灯控制系统工作过程，把东西向和南北向作为两条同时执行的支路来分析。东西方向交通灯如此工作：按下启动按钮，东西红灯亮，25秒后东西红灯熄灭、东西绿灯亮，20秒后东西绿灯变闪烁，3秒后东西绿灯熄灭、东西黄灯亮，2秒后东西黄灯熄灭，东西红灯开始亮。南北方向交通灯如此工作：按下启动按钮，南北绿灯亮，20秒后，南北绿灯变闪烁，3秒后南北绿灯熄灭、南北黄灯亮，2秒后南北黄灯熄灭、南北红灯亮，25秒后，南北红灯熄灭，南北绿灯开始亮。通过分析，学生会发现，当按下启动按钮时，两个方向的灯同时动作，分别走两条不同的支路，每条支路有四步，两条支路的步不同时走，分支结束可以合并，如果需要循环就不需要合并，直接跳到需要循环的步即可。如图八所示。
通过以上四种编程方法，分别对十字路口交通灯进行设计，每种方法学习的重点不同。程序一主要是继续之前课题及学习内容，让学生继续巩固所掌握的知识，如定时器的使用、定时器的复位等；而程序二主要是引导学生学会定时器的并联使用，特别注意定时器并联时其设定值要递增；程序三主要引导学生掌握步进顺控指令的编程方法、哪些情况适用于这种方法；程序四又引导学生理解并掌握用步进顺控指令编程，什么时候选用单分支、什么情况用并行分支、单分支和并行分支的区别等。在讲授时要循序渐进，逐步引导学生，把总任务分解，学生逐个完成。这样，学生有自己思考探索的过程，就能逐步掌握所学知识，并且不会被新知识吓到，增强学习的信心和兴趣。
论文作者:魏春香
论文发表刊物:《教育学文摘》2018年10月总第279期
论文发表时间:2018/9/5
标签：交通灯论文; 定时器论文; 东西论文; 红灯论文; 绿灯论文; 步进论文; 程序论文; 《教育学文摘》2018年10月总第279期论文;