劉琛森

（廣西賀州高級(jí)技工學(xué)校，廣西賀州，542899）

精品課程的建設(shè)對于提升職業(yè)院校的教育模式、提高辦學(xué)質(zhì)量、達(dá)到人才培養(yǎng)的目標(biāo)，有非常重要的意義。2021年，筆者所在學(xué)校電類專業(yè)挑選了《PLC應(yīng)用技術(shù)》這門課作為校精品課程進(jìn)行研發(fā)。PLC是依托微處理器為核心的自動(dòng)化裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，是一體化專業(yè)的核心課程。結(jié)合新建的PLC實(shí)訓(xùn)室，里面有PLC模塊、觸摸屏模塊、變頻器模塊，需要對PLC這門課程進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，加入觸摸屏、變頻器的內(nèi)容，以達(dá)到調(diào)整教學(xué)資源，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的目的。通過集合骨干專業(yè)教師組成研發(fā)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合平時(shí)教學(xué)成果，參與科研項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，保留了PLC的核心基礎(chǔ)知識(shí)，去除老、舊知識(shí)點(diǎn)，增加和如今行業(yè)密切相關(guān)的知識(shí)模塊。同時(shí)把整理、編寫出來的學(xué)習(xí)任務(wù)，在課堂上進(jìn)行教學(xué)驗(yàn)證，看學(xué)生的理解、掌握程度是否能達(dá)到預(yù)定的教學(xué)效果。若不能，或者效果較差，則教師團(tuán)隊(duì)需對該學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行討論、修改，再用到教學(xué)中進(jìn)行檢驗(yàn)，以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。針對學(xué)校實(shí)訓(xùn)室的設(shè)備，我們總結(jié)提煉了十個(gè)PLC這門課程的經(jīng)典學(xué)習(xí)任務(wù)。這些典型的學(xué)習(xí)任務(wù)除了以PLC為核心控制器外，還加入了觸摸屏、變頻器的內(nèi)容，更強(qiáng)調(diào)以培養(yǎng)實(shí)踐能力為原則，主動(dòng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展變化的需要。本文選取其中的一個(gè)“基于觸摸屏、變頻器和PLC的電機(jī)正反轉(zhuǎn)多段速控制”加以分析，也給需要進(jìn)行PLC課程內(nèi)容調(diào)整、整合的教師一個(gè)參考。

1 任務(wù)控制要求

本次學(xué)習(xí)任務(wù)的控制方式可以手動(dòng)控制和觸摸屏遠(yuǎn)程控制兩種方式，具體控制要求如下：

(1)在停止?fàn)顟B(tài)下，按下正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB1,電動(dòng)機(jī)在變頻器驅(qū)動(dòng)下啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，變頻器每經(jīng)過15S后改變一次輸出頻率帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，按10Hz、20Hz、50Hz依次改變頻率轉(zhuǎn)動(dòng)。頻率上升到50Hz后，便按50Hz持續(xù)正轉(zhuǎn)。

(2)在停止?fàn)顟B(tài)下，按下反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB2,電動(dòng)機(jī)在變頻器驅(qū)動(dòng)下啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，變頻器每經(jīng)過15s后改變一次頻率帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，按15Hz、25Hz、35Hz、50Hz依次改變頻率轉(zhuǎn)動(dòng)。頻率上升到50Hz后，便按50Hz持續(xù)反轉(zhuǎn)。

(3)按下停止按鈕SB3，無論電動(dòng)機(jī)處于什么段速運(yùn)行，都將停止輸出。

(4)創(chuàng)建觸摸屏界面，能在觸摸屏界面進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)、停止操作，指示燈顯示電動(dòng)機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)還是反轉(zhuǎn)狀態(tài)，并能在觸摸屏上顯示電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)頻率。

2 任務(wù)實(shí)施

■2.1 硬件選型

本教學(xué)設(shè)計(jì)中采用的是三菱FX2N-48MR的PLC，三菱FR-E740型通用變頻器，昆侖通態(tài)TPC7062KX(TX)型號(hào)的觸摸屏，80YS減速電機(jī)，同時(shí)選擇一個(gè)組合按鈕用于手動(dòng)控制操作。

■2.2 I/O地址分配表

在本學(xué)習(xí)任務(wù)中，有3個(gè)輸入量，即正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕、停止按鈕。有5個(gè)輸出量，分別控制電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和多段速選擇。具體I/O地址分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配表

■2.3 變頻器開關(guān)量輸入與輸出頻率對應(yīng)關(guān)系表及參數(shù)設(shè)置方法

變頻器參數(shù)設(shè)置：在變頻器上電沒有輸出狀態(tài)下，P79由2變成1變成內(nèi)部模式，然后找到ALLC由0變?yōu)?恢復(fù)出廠設(shè)置，再分別設(shè)置P4、P5、P6、P7（加速時(shí)間）、P8（減速時(shí)間）、P24、P25、P26、P27，最后再將P79由1變成2處于外部模式。

表2 變頻器的開關(guān)量輸入與輸出頻率對應(yīng)關(guān)系表

0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 10 1 0 0 1 0 20 1 0 0 0 1 50 0 1 0 1 1 15 0 1 1 0 1 25 0 1 1 1 0 35 0 1 1 1 1 50

■2.4 外部接線圖

圖1是PLC和變頻器的外部接線圖，觸摸屏接上24V直流電源后，通過RS-232數(shù)據(jù)線和PLC連接。

圖1 外部接線圖

■2.5 程序設(shè)計(jì)

在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對程序設(shè)計(jì)這一塊是比較薄弱的，很多學(xué)生在讓他們自行設(shè)計(jì)程序時(shí)無從下手，老師一講解程序又恍然大悟。為了解決好這一教學(xué)難點(diǎn)，需要教師在課堂上多引導(dǎo)、并通過舉例子啟發(fā)學(xué)生。以這次的學(xué)習(xí)任務(wù)程序書寫為例。首先可以幫學(xué)生分析整個(gè)任務(wù)的程序編輯主要分為三大部分。第一部分要解決觸摸屏能讀取并在屏幕上實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，這個(gè)可以用傳送指令解決。即把相應(yīng)的頻率數(shù)值傳送到寄存器D0，然后通過和觸摸屏的關(guān)聯(lián)，使其能讀取頻率值并顯示在觸摸屏幕上；第二部分要解決電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)每經(jīng)過15s后變頻器就改變一次輸出頻率的問題?？梢酝ㄟ^步進(jìn)指令進(jìn)行編輯，這里面會(huì)用到常用的啟—保—停的編程思路，計(jì)時(shí)用到定時(shí)器T,為了解決能在任一速段停止，可以在步進(jìn)的每步加入控制停止部分的跳轉(zhuǎn)程序。同時(shí)為了在觸摸屏上也能啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，我們可以用M0關(guān)聯(lián)觸摸屏的啟動(dòng)按鈕，M2關(guān)聯(lián)觸摸屏的停止按鈕；第三部分就是解決電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)每經(jīng)過15s后變頻器改變一次輸出頻率的問題，這個(gè)和正轉(zhuǎn)的相似，就不重復(fù)敘述了。圖2是完整的程序。

圖2 程序圖

下面對程序進(jìn)行詳細(xì)的分析：

（1）0-8之間的這部分程序:PLC上電瞬間，停止按鈕X002按下或觸摸屏上的按鈕M2按下時(shí)，對頻率顯示寄存器D0進(jìn)行清零。

（2）8-30之間的這部分程序：正轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，結(jié)合變頻器的開關(guān)量輸入與輸出頻率對應(yīng)關(guān)系表，分別給頻率顯示寄存器D0賦予低、中、高三個(gè)數(shù)值，即10Hz、20Hz、50Hz。

（3）30-64之間的這部分程序：反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，結(jié)合變頻器的開關(guān)量輸入與輸出頻率對應(yīng)關(guān)系表，分別給頻率顯示寄存器D0賦予四個(gè)頻率段的數(shù)值，即15Hz、25Hz、35Hz、50Hz。

（4）64-67之間的這部分程序:PLC上電，開始執(zhí)行步進(jìn)程序的S0這步。

（5）68-87之間的這部分程序：對Y000-Y004進(jìn)行了復(fù)位，如果按下啟動(dòng)按鈕X000，開始進(jìn)入到正轉(zhuǎn)運(yùn)行這部分的程序，程序跳轉(zhuǎn)到步進(jìn)S10這步；如果按下反轉(zhuǎn)按鈕X001，開始進(jìn)入到反轉(zhuǎn)運(yùn)行這部分的程序，程序跳轉(zhuǎn)到步進(jìn)S13這步。這里還通過Y0、Y1的常閉觸點(diǎn)讓正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)進(jìn)行了互鎖，保證運(yùn)行的安全。

（6）87、88這部分的程序：正轉(zhuǎn)10Hz運(yùn)行15s，15s的時(shí)間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進(jìn)的S11步；如果時(shí)間未達(dá)到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機(jī)停止正轉(zhuǎn)。

（7）103、104這部分程序：反轉(zhuǎn)15Hz的頻率運(yùn)行，15s的時(shí)間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進(jìn)的S14步；如果時(shí)間未達(dá)到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機(jī)停止反轉(zhuǎn)。

（8）120、121這部分程序：正轉(zhuǎn)20Hz運(yùn)行15s，15s的時(shí)間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進(jìn)的S12步；如果時(shí)間未達(dá)到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機(jī)停止正轉(zhuǎn)。

（9）136、137這部分程序：反轉(zhuǎn)25Hz的頻率運(yùn)行，15s的時(shí)間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進(jìn)的S15步；如果時(shí)間未達(dá)到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機(jī)停止反轉(zhuǎn)。

（10）153、154這部分程序：正轉(zhuǎn)50Hz運(yùn)行15s，15s的時(shí)間一到，如果沒有按下停止按鈕，則電機(jī)持續(xù)正轉(zhuǎn)；如果時(shí)間未達(dá)到15s或已超過15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機(jī)停止正轉(zhuǎn)。

（11）172、173這部分程序：反轉(zhuǎn)35Hz的頻率運(yùn)行，15s的時(shí)間一到，則跳轉(zhuǎn)到步進(jìn)的S16步；如果時(shí)間未達(dá)到15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機(jī)停止反轉(zhuǎn)。

（12)189、190這部分程序：反轉(zhuǎn)50Hz運(yùn)行15s，15s的時(shí)間一到，如果沒有按下停止按鈕，則電機(jī)持續(xù)反轉(zhuǎn)；如果時(shí)間未達(dá)到15s或已超過15s，按下停止按鈕X002或觸摸屏上的停止按鈕M2，電機(jī)停止反轉(zhuǎn)。

（13）210、211這部分程序：步進(jìn)程序結(jié)束，整個(gè)程序結(jié)束。

■2.6 觸摸屏界面的設(shè)計(jì)

完成本學(xué)習(xí)任務(wù)采用的是MCGSE組態(tài)軟件進(jìn)行觸摸屏界面的設(shè)計(jì)。該軟件呈現(xiàn)的是全中文界面，對于英語基礎(chǔ)較差的中職生也是能夠輕松掌控的。軟件以小窗口為單元，使用者可以根據(jù)自己的實(shí)際需求創(chuàng)建操作系統(tǒng)界面，可操作性強(qiáng)，學(xué)生也容易理解和掌握。首先，我們在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中建立三個(gè)開關(guān)量，分別是正轉(zhuǎn)啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)、停止；然后在觸摸屏設(shè)備窗口選擇三菱FX系列編程口，并通過串口設(shè)備屬性，在改變屬性菜單中選擇CPU類型，我選擇的是FX2N，與實(shí)際一致；最后增加九條通道，對輸入輸出變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。圖3是觸摸屏的組態(tài)界面。

圖3 觸摸屏組態(tài)界面

■2.7 調(diào)試運(yùn)行

在程序調(diào)試正確的情況下，在教師監(jiān)控下進(jìn)行負(fù)載調(diào)試。調(diào)試過程注意用電規(guī)范。

調(diào)試過程：

（1）按下正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB1,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，變頻器每經(jīng)過15s后改變一次輸出頻率帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，按10Hz、20Hz、50Hz依次改變頻率轉(zhuǎn)動(dòng)。頻率上升到50Hz后，便按50Hz持續(xù)正轉(zhuǎn)。觸摸屏顯示界面上正轉(zhuǎn)指示燈亮，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

（2）按下停止按鈕SB3，電動(dòng)機(jī)停止正轉(zhuǎn)。

（3）按下反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB2,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，變頻器每經(jīng)過15s后改變一次頻率帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，按15Hz、25Hz、35Hz、50Hz依次改變頻率轉(zhuǎn)動(dòng)。頻率上升到50Hz后，便按50Hz持續(xù)反轉(zhuǎn)。觸摸屏顯示界面上反轉(zhuǎn)指示燈亮，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

（4）按下停止按鈕SB3，電動(dòng)機(jī)停止反轉(zhuǎn)。

3 思考與練習(xí)

本任務(wù)主要是對電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行了多段速控制，結(jié)合我們生活中常見的洗衣機(jī)的工作過程，還可以對本學(xué)習(xí)任務(wù)做如下拓展：

（1）按下啟動(dòng)按鈕，洗衣機(jī)開始進(jìn)水。水位達(dá)到最高位停止進(jìn)水，洗衣機(jī)開始正轉(zhuǎn)洗滌。按正轉(zhuǎn)24s，暫停5s，反轉(zhuǎn)24s，暫停5s為一個(gè)小周期，工作3次后，開始排水。

（2）排水后水位開始下降，下降到最低水位后，開始脫水和繼續(xù)排水。脫水時(shí)間為15s。脫水完成后，就完成了一個(gè)大的周期。完成3個(gè)大周期后，洗衣機(jī)完成本次洗滌并通過蜂鳴器報(bào)警；如果未完成3個(gè)周期，則繼續(xù)開始進(jìn)水，重復(fù)第1部分的工作流程。

（3）洗衣機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)洗滌要求用變頻器進(jìn)行多段速控制。這里我們可以考慮電機(jī)的3段速運(yùn)行。分別為30Hz運(yùn)行8s、50Hz運(yùn)行8s，20Hz運(yùn)行8s。

（4）脫水時(shí)變頻器的速度為50Hz，加、減速的時(shí)間是4s。

（5）觸摸屏的界面設(shè)置上有啟動(dòng)、停止按鈕、進(jìn)水、脫水、洗滌完成、正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)間、反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)間、小周期次數(shù)、大周期次數(shù)等參數(shù)。

4 結(jié)束語

本學(xué)習(xí)任務(wù)以圍繞PLC這門核心課程，延伸了觸摸屏、變頻器的相關(guān)知識(shí)，達(dá)到將多門課程知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通、舉一反三的目的。這也為聚焦課標(biāo)，重組教材如何開展教學(xué)提供了參考。實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生對實(shí)用性強(qiáng)，一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)涵蓋了多門課程知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方式非常感興趣。將工程專業(yè)要素融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作、分析解決問題的能力，增強(qiáng)了職業(yè)教育的適應(yīng)性。