用PLC实验台做数字电路演示实验的初步探讨

在2003—2004年度第二学期，笔者同时带了《电子技术》和《可编程控制器》（简称“PLC”）两门课程。利用这个机会，便尝试着用PLC实验台来做数字电路演示实验。经过一个学期的实践，笔者发现这对于开阔学生视野、增强学生观察问题、分析问题和解决问题的能力以及实际动手能力都有积极意义。所以现把部分内容整理出来，以供同行教师们参考，更希望引起更多有兴趣者的关注，为学生营造一个更好的教学环境。 演示实验一：六种“逻辑门”逻辑功能的演示实验 一、演示试验的准备 第一步 确定逻辑变量，写出逻辑表达式：把PLC输入继电器（X）的触点看作输入变量，输出继电器（Y）的线圈看作输出变量，按照逻辑门的逻辑关系分别写出各逻辑门的逻辑表达式。 第二步 根据逻辑表达式设计出PLC梯形图（如图1所示），并写出程序语句。 方法是：输入变量为“原变量”时，用“常开触点”表示；输入变量为“反变量”时，用“常闭触点”表示。“与逻辑”用“触点的串联”表示；“或逻辑”用“触点的并联”表示 第三步：用电脑或手持编程器将以上所编程序送入PLC用户存储器中。 第四步：进行I/O分配，并接线调试。 为了接线简单起见，我们让六个“门”的输入接线相同，均为：开关K0 ─→X0 ，开关K1 ─→X1 （“─→” 表示在两个端钮间连线）；而输出接线分别为：COM1─→24V直流电源正极，COM2─→24V直流电源正极。 “与门”输出接线： Y0 ─→L0 （L0---L5为发光二极管指示灯） “与非门”输出接线：Y1 ─→L1 “或门”输出接线： Y2 ─→L2 “或非门”输出接线：Y3 ─→L3 “异或门”输出接线：Y4 ─→L4 “同或门”输出接线：Y5 ─→L5 接线调试完毕，实验的准备工作即告结束。 二、演示实验的做法 比如在做“与门”逻辑关系实验时，可按“与门”逻辑关系接线：K0 ─→X0 K1 ─→X1 Y0 ─→L0，并设开关闭合为1，开关断开为0；指示灯亮为1，指示灯灭为0。让学生观察开关K0、K1通断组合与指示灯L0亮灭的逻辑关系，并列出真值表，从而分析出是什么逻辑关系。同理，在做“与非门”逻辑关系实验时，则按“与非门”逻辑关系接线：K0 ─→X0 K1 ─→X1 Y1─→ L1，让学生观察开关K0、K1通断组合与指示灯L1亮灭的逻辑关系，列真值表，分析其逻辑关系。以此类推…… 按相应的“门”的逻辑关系接线，用“开关”作为输入逻辑变量（原因），用“指示灯”显示输出逻辑变量（结果），通过列真值表来分析其逻辑功能。总之，可以让学生通过观察演示实验来填写如下真值表（如表一所示）。 表一：六种“逻辑门”逻辑关系演示实验真值表 填完表后，再逐个逐个地分析输出与输入的逻辑功能，以及Y1与Y0、Y3与Y2、Y5与Y4之间的逻辑关系。 三、小结 1、用PLC实验台做数字电路实验，是一个新的尝试，并且这样的尝试是可行的。因为“逻辑控制功能”是PLC最基本控制功能，所以，我们设计这个实验的目的，不仅仅为了实验的本身，更重要的是想证明一个事实：在数字电路中用各种逻辑门组成的“组合逻辑电路”，是完全可以用PLC的“程序”来实现的。 2、 这里演示的“逻辑门”就是用PLC的“程序”来实现的，不同的“程序”对应不同的逻辑功能，改变“程序”就能改变其逻辑功能。所以，“程序”是PLC的灵魂。 3、 用PLC实验台做数字电路实验是可取的。因为PLC实验台“通用性”、“灵活性”、“可靠性”都比较好。不仅可以用它来做两输入“与门”、“或门”等实验，还可以用它来做三输入“与门”、“或门”等实验，或做其它实验，只要改变程序就行，非常灵活、方便、快捷。 4、 借助“演示实验”的手段，让学生从“实践”中获得知识，比单纯讲解“书本知识”生动、有趣。可以引导学生反复、仔细地观察“实验”，从分析“事件”的因果关系入手，依次确定逻辑变量，给逻辑变量赋值，列真值表，确定逻辑功能，写逻辑表达式，画逻辑符号或逻辑结构图，最后让学生记住各种“逻辑功能的口诀”和几种“逻辑功能的表示方法”。 演示实验二：“三人表决器”逻辑功能的演示实验 “三人表决器”的逻辑功能是：表决结果与多数人意见相同。 设X0、X1、X2为三个人（输入逻辑变量），赞成为1，不赞成为0； Y0为表决结果（输出逻辑变量），多数赞成Y0为1，否则，Y0为0。其真值表如表二所示。 表二：“三人表决器”真值表 由真值表写出逻辑表达式并化简得：Y0=X0*X1+X0*X2+X1*X2 （2.1） 要实现这个逻辑功能，如果用“集成逻辑门”，则可选用三个两输入“与门”和一个三输入“或门”来实现。但是，这里我们不是用“集成逻辑门”，而是用PLC“程序”来实现。 程序语句如下：0 LD X0 1 AND X1 2 LD X0 3 AND X2 4 ORB 5 LD X1 6 AND X2 7 ORB 8 OUT Y0 9 END 将这个程序语句写入到PLC中，再进行接线：用三个开关分别控制X0、X1、X2，用一盏指示灯来显示表决结果，并将COM1连接到24V直流电源的正极。接线完毕就可以进行演示实验的操作了。如果赞成，则合上开关；如果不赞成，则断开开关。指示灯的亮灭，显示的是表决的结果。灯亮表示多数赞成，灯不亮，则表示多数不赞成。表决结果与多数人意见相同。 下面探讨一下由“逻辑表达式”来编写PLC程序的规律。一般书上用A、B、C表示输入逻辑变量，用Y表示输出逻辑变量。在这里为了编程的方便，我们有意把PLC的输入继电器（X）的触点作为输入逻辑变量，把输出继电器的线圈作为输出逻辑变量。例如，在表达式（2.1）中，X0、X1、X2为三个输入逻辑变量，代表三个人，Y0为输出逻辑变量，代表表决结果。同时在PLC中，X0、X1、X2又是三个输入继电器，都是输入继电器的常开触点； Y0是一个输出继电器，是输出继电器的一个线圈。 式（2.1）是一个“与或式”，在第一项X0*X1中，“X0”在项首，用[LD]指令,即LD X0，“*”是“与”逻辑，用[AND]指令，即AND X1。第二项、第三项也是这个规律，三项相加， “+”是“或”逻辑，用[ORB]指令，[ORB]指令是“块或”指令。因为每一个“与项”都是两个触点相串联的“串联电路块”，而“相加”就是作并联连接，即“串联电路块”作并联连接，所以要用“块或”指令。Y0是输出，用线圈输出指令[OUT],即OUT Y0。程序结束用[END]指令。认真总结由“逻辑表达式”来编写PLC程序的规律，这对于快速编程很有好处。但是，一般的初学者，往往都是由“逻辑表达式”到“梯形图”，再到“程序语句”。为了帮助初学者，我们将这个程序的梯形图一并给出，如图2所示。 （图2 “三人表决器” 梯形图） 演示实验三：“四路智力抢答器” 逻辑功能的演示实验 设智力测验时分四个组，每一组前面放一个按钮，当某一组先按下按钮时，其对应的指示灯亮，电铃响，此时其它按钮均失效。这样，先按下按钮的那一组，就抢到了“答题权”。这就是“四路智力抢答器”的“抢答”功能。 设计“四路智力抢答器”的关键是：四路信号优先择一，拒绝其余。 如果用逻辑门来实现的话，可以用五个四输入与非门和一级输出驱动电路来实现。但在这里仅介绍用PLC“程序”来实现“四路智力抢答器”逻辑功能的方法： 1、将如下程序语句写入PLC中：“0 LD X0 1 ANI Y1 2 ANI Y2 3 ANI Y3 4 OUT Y0 5 LD X1 6 ANI Y0 7 ANI Y2 8 ANI Y3 9 OUT Y1 10 LD X2 11 ANI Y0 12 ANI Y1 13 ANI Y3 14 OUT Y2 15 LD X3 16 ANI Y0 17 ANI Y1 18 ANI Y2 19 OUT Y3 20 END” 2、按照I/O分配接线图接线。I/O分配接线图如图3所示，图中P0—P3为四个按钮，X0—X3为输入继电器接口，Y0—Y3为输出继电器接口，COM为输入继电器的公共端，在内部已接电源负极，COM1为输出继电器分区的公共端，应接24V直流电源的正极。千万注意不能将COM和COM1连接在一起，否则，将造成电源短路，烧坏保险丝。因本实验台本身没有提供电铃，所以电铃在图中未画出，实际应用时可用相应的输出接继电器再控制电铃。 （图3 “四路智力抢答器”I/O分配接线图） 3、接线完毕，检查无误方可开机运行。运行调试时，应验证“程序”是否具有“抢答”功能，即在按下一键有效的情况下，看看其它键是否失效，如果是这样，说明“程序”是正确的，否则，就要查一查原因，看是什么问题。 4、为了帮助初学者了解“四路智力抢答器”的工作原理，特附上梯形图如图4所示。