摘要：本文以十字路口交通灯的控制为中心，深入剖析控制任务要求，结合三菱PLC的基本指令和功能指令，通过对程序的经验设计法和步进顺序控制设计法的设计思路引导和实现方式学习，以点带面，层层深入，使学生以一个项目贯穿整个PLC编程设计法的学习，从而提高PLC编程方法的教学效果和增强学生的学习兴趣。
关键词：启-保-停；经验设计法；步进顺序控制设计法
PLC是Programmable Logical Controller 的缩写，全名为可编程序控制器，是一种以计算机技术为核心，使用可编程序的存储器，专门用于工业自动化控制的数字控制系统装置，可以通过编制用户程序来改变控制过程，且具备体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高和抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，跟机器人和CAD/CAM将成为工业自动化的三大支柱。随着PLC技术应用的越来越广，市场对掌握PLC技术的人才市场缺口很大，因此在各中职院校的电类专业开设PLC课程势在必行。
PLC的教学开展得不是很有成效，作为PLC应用关键的程序设计的教学更是收效甚微。首先，中职学生素质参差不齐，大多数学生学习基础薄弱，接受能力不强，再加上没有良好的学习习惯，兴趣普遍不高；其次，目前中职类教材中没有比较适合中职学生的教材，虽然目前大多数按照项目驱动教学法编写的，但普遍实行每个不同的项目使用不同的编程方法，难度各异，没有体现难度的递增关系，而又相互孤立，缺乏内在联系，使学生编程思路单一，只能简单的模仿。
鉴于以上情况，以学生为主体，教师为主导为原则，我的做法是，把PLC编程方法的教学重点放在使用最为广泛的开关量控制部分，以十字路口交通灯控制任务为中心，综合PLC常用编程方法中的经验设计法和步进顺序控制设计法，把PLC编程方法在同一个项目实施中由浅入深，由易渐难，层层推进的教学方式呈现给学生，让学生在不同编程方法中去感受方法的优劣，选择适合自己思维模式的编程方法，这样更容易使学生获得成就感，更有利于学生的学习兴趣的培养。现将该教学理念实施教学过程总结如下。
一、确定项目，根据要求，剖析核心控制环节
（一）项目名称：十字路口交通灯控制
（二）控制要求：
1、东西方向：绿灯发光12s→绿灯闪烁3次（每秒1次）→黄灯发光3s→红灯发光18s；
2、南北方向：红灯发光18s→绿灯发光12s→绿灯闪烁3次（每秒1次）→黄灯发光3s。
（三）分析控制要求，确定输入输出元器件，画出对应的I/O分配表，如表1-1所示。
表1-1 十字路口交通灯控制I/O分配表
（四）根据对控制要求的分析，确定编程思路
通过分析，十字路口交通灯控制属于时间顺序控制，从而确定核心控制所必须的元器件定时器T的相关知识。时间顺序控制，能融合经验设计法和步进顺序控制设计法。其中经验设计法可以利用“启-保-停”电路梯形图和定时器的使用联合进行设计，也可以运用触点比较、比较和区域比较等功能指令进行程序设计。而步进顺序控制设计法又包括步进逻辑公式设计法和顺序功能图设计法[SFC]两种设计思路。故时间控制基本上涵盖了PLC编程常用的编程方法，形成一个相对全面而又交相呼应的编程思路的框架，达到学生学会一个控制项目就相当于学会了PLC的常用编程方法的效果，同时也让学生懂得程序的设计并不是自古华山一条道，而是条条大路通罗马，程序思路没有对错，只有效率高低之别。
二、由浅入深，由易渐难，确立程序设计法学习顺序
根据对控制要求的剖析，理清各灯点亮顺序，结合编程设计法的难易程度先由“启-保-停”电路和定时器的组成的经验设计法入手，层层深入，逐步引入步进顺序控制设计法的学习。
（一）经验设计法：
所谓经验设计法，实际上是用输入信号X直接控制输出信号Y。如果无法直接控制或为了解决联锁和互锁功能，适当增加一些辅助元件和辅助触点。
为了方便学生理解程序编程的思路，根据控制要求，理清东西向和南北向的控制顺序，引导学生画出如图2-1-1所示的交通灯控制的时序图。
图2-1-1 十字路口交通灯的时序图
1、“启-保-停”电路+定时器计时电路：
时序图中每个输出的变化点，称为一个拐点，每个拐点使用一个定时器，时序图中有六个拐点，故需要六个定时器，经过分析六个定时器的编号分配和定时时间的长短设置如表2-1-2所示。
表2-1-2 定时器的序号和定时时间表
（1）“启-保-停”电路：启动按钮SB1→X0 停止按钮SB2→X1
根据“启-保-停”电路的特点：X0常开触点控制启动，X1 常闭触点控制停止。
（2）计时电路：根据表2-1-2的定时器时间和定时器的计时原理可设计出计时电路梯形图。
（3）梳理交通灯各灯的控制条件，设计出相应的梯形图程序
1）东西方向：
※绿灯Y0点亮的控制条件：M0=ON,Y0=ON; T1=ON,Y0=OFF
※绿灯Y0闪烁的控制条件：T1=ON Y0通过M8013闪烁；T2=ON,Y0=OFF。
※黄灯Y1点亮的控制条件：T2=ON,Y1=ON;T3=ON,Y1=OFF
※红灯Y2点亮的控制条件：T3=ON,Y1=ON;T6=ON,Y1=OFF
2）南北方向:根据东西方向的设计原理，以此类推，得到南北方向各灯控制条件。
结合控制要求实现循环控制，使用最后一个定时器T6的常闭触点清零所有的定时器，实现循环控制的目的，并将两个方向的梯形图进行合并即可得到完整的梯形图程序。
为了使程序更加简洁，减少定时器的使用个数，节省程序的存储空间和执行效率，可使用触点比较，比较和区域比较指令进行程序设计。
2、“启-保-停”电路+定时器+触点比较功能指令
[引入触点比较指令的应用知识]
（1）精简定时器的使用个数
六个定时器的计时用一个定时器来代替，该定时器的时间等于六个定时器的时间总和，即12+3+3+12+3+3=36s。故用T0 K360代替六个T。
（2）在第一种编程方法分析的基础上，可得到各灯的顺序控制
1）东西方向：绿灯（Y0）点亮12s→绿灯（Y0）闪烁3s→黄灯（Y1）点亮3s→红灯（Y2）点亮18s。
2）南北方向：红灯（Y3）点亮18s→绿灯（Y4）点亮12s→绿灯（Y4）点亮12s→黄灯（Y5）点亮3s
（3）根据各灯的点亮时间和顺序，结合“启-保-停”电路梯形图和触点比较指令的使用方法，得到各灯的使用触点比较指令的控制梯形图。
3、“启-保-停”电路+定时器+比较功能指令[CMP]
在第二种编程方法的基础上，引入比较功能指令的应用知识，用比较指令代替触点比较指令，可以得到使用比较功能指令设计的梯形图。
4、“启-保-停”电路+定时器+区域比较功能指令[ZCP]
在第三种编程方法的基础上，引入区域比较功能指令的应用知识，用区域比较指令代替比较指令，可以得到使用区域比较功能指令设计的梯形图。
综上所述，通过使用功能指令，一步步加深对控制任务的理解。同时使用功能指令后，程序的步数越来越少，程序越来越整洁，使学生的成就感油然而生，为接下来的深入学习打下坚实的基础和注入较强的学习动力。
综上所述的设计方法一般称为经验设计法。如果无法直接控制或为了解决联锁和互锁功能只能被动地在“启-保-停”的基础上增加一些辅助元件和辅助触点。但对于控制系统要求比较复杂的，各系统输出量Y与输入量X之间的关系以及对联锁和互锁错综复杂的情况下，使用经验设计法设计起来难以得心应手。为了解决这个问题，引入更加简单的步进顺序控制设计法的学习。
（二）步进顺序控制设计法
对于按流程作业的控制系统而言，一般都包含若干个状态（一般把这个状态称为工序），当满足条件时，系统能够从一种状态转移到另一种状态，通常把这种控制称为步进顺序控制，对应的系统则称为步进顺序控制系统。对于这种工作任务符合一定顺序的控制，通常有一种更简单的设计方法即步进顺序控制设计法。简而言之，步进顺序控制设计法实际上是用输入信号X控制代表各步的编程元件（例如辅助继电器M[步进逻辑公式设计法]和状态继电器S[步进顺序功能图（SFC）设计法]），再用它们控制输出信号Y。这种设计法具备通俗易懂、程序调试，修改方便简单等优点，大大缩短了设计周期，提高了设计效率。
详细剖析控制任务与要求，理顺两个方向的状态流程图和状态与状态之间的转换条件，如图2-4所示。
1、步进顺序功能图设计法
根据状态转移图的构成和编程原理，确定使用顺序功能图的控制模式，由于东西方向和南北方向属于同时进行，适宜选择SFC的并行控制方式，每个状态的转移条件除了启动和停止之外，都是用时间来实现转移的。综合上述情况，可以设计出使用交通灯步进顺序功能图程序。
[注]为了全面的学习步进顺序功能图，可适当结合机械手和邮件分拣的控制，学习单独支路控制和选择性支路控制的学习。
图2-4 十字路口交通灯状态转移图
2、步进逻辑公式设计法
步进逻辑公式设计法就是根据状态流程图和逻辑公式[
]的对应关系，列出各个状态的逻辑代数式，利用“启-保-停”电路，通过PLC的基本指令，实现每个程序步与梯形图进行转换的程序设计方法。
根据状态转移流程图和各状态的转移条件，结合步进逻辑公式和对应的梯形图，可以设计出使用步进逻辑公式设计法涉及梯形图来满足控制要求的程序。
通过这几种编程方法结合交通灯的PLC控制任务由浅入深，由易渐难的教学方法，容易使学生获得成就感，从而提高学生学习PLC编程的积极性，这样才能使学生具有持久的兴趣，完成PLC整个编程思路和技巧的学习，为日后走上PLC技术运用的技术员岗位打下坚实的基础。
参考文献
[1]李金城.三菱FX2NPLC功能指令应用详解.北京.电子工业出版社:2011
[2]张梦欣.PLC应用技术（三菱）.北京.中国劳动社会保障出版社:2012
[3]杜从商.PLC编程应用基础（三菱）.北京.机械工业出版社:2011
论文作者:陈汉良
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：步进论文; 定时器论文; 顺序论文; 指令论文; 交通灯论文; 触点论文; 功能论文; 《电力设备》2019年第5期论文;