如何在教学中加强PLC的计算机属性

陈正泉

摘 要 PLC作为自动化技术专业的核心课程，许多学生学习后对PLC的理解仅仅停留在开关量的逻辑控制层面上，形成PLC控制就是取代继电器控制的片面认识。本文通过对课程内容编排、衔接、教学内容设计与呈现等几方面的探讨，力争使学习者形成对PLC作为工业智能控制领域重要一员的全面认识：PLC既可以取代原有的继电器，实现逻辑控制，又具备计算机的数据处理和通信功能，从而更好地学习和应用PLC。

关键词 PLC 自动化 继电器控制 计算机

0 前言

目前，很多教材都将PLC与电气控制组合在一起，学校的教学亦是把PLC与电气控制合并来组织教学，这样带来的益处是学生在掌握继电器控制的基础上很容易理解PLC的开关量的逻辑控制功能，带来的弊端是学生会形成PLC仅仅是取代继电器实现逻辑控制的思维定势，而忽略了其作为工业控制计算机的属性。因此，如何在教材编著、教学内容编排、课程衔接和教学过程呈现上，让学生在起步阶段就形成对PLC全面、正确的认识，为最终了解和掌握PLC全部属性与功能，从而建立起这样的认识：“PLC不仅仅是字面上的可编程逻辑控制器，而是实质上的中小型工业控制计算机，自然具有计算机属性”，是我们每个从事PLC教学的人需要思考的问题。

1 通过课程衔接和内容编排明确PLC计算机属性的教学

将电气控制与PLC的教材单独成册，在安排PLC这门课的教学之前，必须先期安排电气控制、电机与拖动、计算机控制技术或者单片机的课程教学，这样保证学生在学习PLC这门课之前具备电气控制和计算机控制的相关知识。教学中，在讲授PLC有关开关量的逻辑控制内容时，融合电气控制的相关内容；在数据运算与处理部分融合计算机相关知识。这样，一方面可以加深学生对电气控制知识的进一步升华和拓展，另一方面也加强了学生对PLC的计算机属性的理解，有利于学生形成对PLC的全面认识和深刻理解，为用好PLC奠定全面的知识结构。

2 在自动化控制领域中剖析PLC的计算机属性

把PLC放在自动化控制领域作为学习对象，既能加深学生对自动化控制系统的整体认识，形成系统解决工控问题初步概念，又能帮助学生全面了解PLC在其中所处位置和承担的角色，形成对PLC的全面认识。

现代工业自动化主要由PLC、工控机、现场总线和工业以太网构成，为适应工业4.0的发展要求，一方面，硬件着力于高速运算、大容量、快速数据处理与传输以及更加开放、友好的界面；另一方面，控制软件从底层的数据采集、逻辑运算发展到高层的人机图形界面（HMI）。未来将基于分布式网络结构融合企业资源规划（ERP）和制造资源规划（MRP），构建一个全新的智能控制。在工业自动化系统分布式网络结构的典型构造中，底层是设备、PLC的远程I/O点和现场总线构建的设备层；中间是PLC、工控机、操作员界面以及基于CAN技术而构建的控制层网络，上层是由基于Ethernet和PC或工作站构建的信息管理与服务层。[2]可见，PLC和工业控制计算机均是现代工业控制最重要的数字控制装置。早期的PLC的确是为顺序控制而专门设计制造的，采用专门设计的硬件，通过控制程序实现对控制对象的自动控制；而工业控制计算机则是在普通计算机的基础上，针对工业现场的环境要求，对计算机的硬件进行相应的改进，使其在保持计算机原有优点的基础上适应工业现场的要求。与工控机相比，PLC具有高可靠性，强抗干扰能力，I/O 接口丰富，更加通用的模块化设计，安装简单、维修方便，编程简单易学等诸多优势，因此PLC比工控机在工业现场的使用更为广泛。起初PLC和工控机定位在不同的应用层面，PLC的容量和运算，特别是数据处理能力比工控机要差一些，而适应工业现场环境较好，因此，在中小型自动化项目上PLC的性价比和实用性更高，在大型项目上PLC常常作为工控机的下位机，但二者的发展已大大超过其当初的技术水平，因此这种定位也不再绝对。随着智能控制的发展，PLC与工业控制计算机在保留自身特点的同时也在相互促进与融合，角色的区分也越来越模糊，换言之，现在的PLC就是一个专门的工业控制计算机，具有计算机的普遍属性。

3 通过PLC的工作原理解析其计算机属性

在PLC教学中我们普遍存在重PLC的指令教学，而不太注重对PLC工作原理的讲解，客观上弱化了PLC计算机属性的教学，现在看来在重视指令教学的同时加强PLC工作原理的剖析十分必要。

PLC的硬件结构基本上与微型计算机相同。其工作原理与普通计算机也相类似，只是工作方式不同。计算机采用的是“等待输入”工作方式，即有相关输入后，计算机才有相应的响应处理，否则一直处于等待状态；换言之，只有发生键盘、鼠标操作的输入或者I/O中断的触发，计算机的操作系统才会转入到相应的程序处理，程序执行完毕，又恢复到等待输入的状态。而PLC则采用的是“对I/O操作、数据处理等的循环扫描”工作方式，PLC按照用户程序的存入顺序，从第一条指令顺序执行，中间除非有中断或跳转命令才执行中断或跳转处理，执行中断或跳转完成后，又回到中断或跳转点继续顺序执行剩余程序，直至读到程序结束符后又返回到第一条指令，如此周而复始地不断循环执行程序。

4 加强类似计算机语言编程方式的教学，使学生直接感知PLC的计算机属性

因为PLC一开始就针对取代继电器控制而诞生，其使用对象也往往是不具备计算机基础知识老一代电气技术人员。而今作为未来电气技术的从业者，应该具备根据控制对象，及程序的执行效率去选择编程语言方式的能力，因此，不能局限于仅仅会使用梯形图的编程方式，而且通过诸如指令表的编程方式的训练也能使学生增强对PLC本质上是一种专用于工业控制的计算机的认识。

PLC的编程语言丰富，有梯形图、指令表、顺序功能图、状态转移图、逻辑功能图和高级语言等多种编程方式。梯形图采用类似于电气控制中的继电器、接触器等图形符号，以传统电气控制电路的方式来表达，具有形象、简单直观、易学易懂等特点，无需计算机编程基础，深受传统电气控制技术人员的喜欢。指令表与计算机汇编语言相类似，将控制流程用带有助记符的操作指令组成语句来表达。顺序功能图采用IEC标准的SFC（Sequential Function Chart）语言方式，常用于编写复杂的顺控程序。状态转移图与顺序功能图类似，对于复杂的顺控系統，编程比状态转移图更简约。逻辑功能图采用类似于数字电路中的逻辑门和逻辑框图来表达，通常一个运算框图表示一种功能，最常见的控制逻辑也是“与”、“或”、“非”。高级语言是近期才开发出来的，可像使用PC机一样使用高级语言对PLC进行编程操作。

5 按操作指令的属性分类教学，增加计算机属性类的指令教学

按照操作指令的属性将其分为开关量的逻辑控制、数据运算与处理、通信与网络三个板块，分类实施，使学生通过指令学习与操作，形成清晰、全面的认识。开关量的逻辑控制侧重于传统的继电器控制，而数据运算与处理、通信与网络控制更能体现PLC作为计算机控制的一面。

5.1 开关量的逻辑控制

开关量的逻辑控制是PLC最基本的功能，可代替传统的继电器控制，实现逻辑控制与顺序控制。主要通过位逻辑指令、定时器和计数器指令实现上述功能。广泛应用于各行各业的单机控制、多机群控制和生产线控制。实训中常采用的教学项目如多级皮带输送机、多液体混合搅拌控制，正是采用开关量的逻辑控制功能实现的。

5.2 数據运算与处理

现代PLC和计算机一样具有：数据传送、数据转换、比较、移位、排序、查表以及数学运算等数据运算和处理功能；中断、跳转、循环、调用子程序等程序控制功能；数据块和字符串处理功能；高速计数和脉冲输出功能。这些指令完全展现了PLC作为计算机的一面，可以实现运动控制：如伺服电机的单轴或多轴位置控制；也广泛应用于过程控制：对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制包括PID调节等等，实际教学中常采用项目如数控雕刻机工作台，变频恒压供水来加强这方面的实践教学。

5.3 通信与联网

PLC通信包括PLC相互之间的通信，以及PLC与其它智能设备之间的通信，通信方式以现场总线和工业以太网为主。虽然各PLC制造厂商在国际标准化组织的协调和指导下，均开发了开放和兼容其他厂商的网络接口，但不同品牌PLC的通信指令有其自身特点，目前的教学以西门子和三菱为主。

6 结论

通过教材编著、教学内容编排、课程衔接、教学内容呈现，在原有单纯继电器控制教学方式的基础上，加强对PLC的计算机属性教学，帮助学生掌握PLC全部属性与功能，形成全面正确的认识。当然，在教学中加PLC的计算机属性绝不是厚此薄彼，并非PLC的开关量的逻辑控制教学不重要，只是针对学习者的反馈做某种程度的纠偏而已，给学习者一个全面正确的认识，从而不断完善我们的教学。

参考文献

[1] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2015.1-18.

[2] 郭琼，姚晓宁.现场总线技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2014.2-8.

[3] 于海生.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2016.