周 瑜，張文能

(1.江蘇科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600；2.徐州瑞控機(jī)電科技有限公司，江蘇 徐州 221008)

·實(shí)習(xí)與實(shí)訓(xùn)·

電氣控制與PLC技術(shù)半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置構(gòu)建

周 瑜1，張文能2

(1.江蘇科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600；2.徐州瑞控機(jī)電科技有限公司，江蘇 徐州 221008)

電氣控制與PLC技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課，為了滿足其在不同應(yīng)用環(huán)境下的實(shí)踐需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于組態(tài)軟件的半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置，利用該裝置，可以通過直觀、真實(shí)的界面，方便、安全地展現(xiàn)出PLC控制程序的執(zhí)行效果，驗(yàn)證其正確性。最后，以自動(dòng)化生產(chǎn)線中供料傳輸系統(tǒng)為例，闡述半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置的構(gòu)建與應(yīng)用。

電氣控制； 可編程邏輯控制器； 半實(shí)物仿真； 實(shí)訓(xùn)裝置

0 引 言

教育部已明確提出部分普通高等院校向應(yīng)用技術(shù)、職業(yè)教育類型轉(zhuǎn)變，我國許多高校以此為契機(jī)，通過教育教學(xué)改革來探索轉(zhuǎn)型內(nèi)容和轉(zhuǎn)型方法[1]。我校作為新建地方本科院校，堅(jiān)持以服務(wù)社會為導(dǎo)向，逐步形成了“立足張家港、服務(wù)長三角”的產(chǎn)學(xué)研社會服務(wù)體系。學(xué)校始終堅(jiān)持把人才培養(yǎng)作為根本任務(wù)，不斷深化人才培養(yǎng)模式改革，培養(yǎng)具有可持續(xù)發(fā)展?jié)撡|(zhì)、創(chuàng)新能力和國際化視野的綜合性應(yīng)用型人才。根據(jù)這一定位和目標(biāo)，結(jié)合地方企業(yè)的特點(diǎn)，我院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)主要為地方中小企業(yè)培養(yǎng)能夠維護(hù)、管理和改造自動(dòng)化生產(chǎn)線的基本能力。無論是從國外引進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，還是自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，普遍把可編程邏輯控制器(PLC)作為控制系統(tǒng)的核心器件[2]。因此，培養(yǎng)掌握機(jī)電一體化技術(shù)，掌握PLC 技術(shù)及PLC 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的人材是當(dāng)務(wù)之急。本文就 “電氣控制與PLC技術(shù)”的教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行探索與改革，設(shè)計(jì)滿足其實(shí)踐需求的半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置。

1 課程定位與目標(biāo)

企業(yè)中的工程技術(shù)人員通常有應(yīng)用型、研究型和管理型3種，其中應(yīng)用型，也就是在工業(yè)生產(chǎn)第一線從事工程設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)行等技術(shù)工作，約占工程師總數(shù)的75%[3]。“電氣控制與PLC技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的主干專業(yè)課程之一，內(nèi)容涉及工業(yè)現(xiàn)場電氣控制與PLC控制的理論知識和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程[4]，與生產(chǎn)實(shí)際和工程應(yīng)用結(jié)合緊密且應(yīng)用廣泛，是學(xué)生走向工作崗位可能直接應(yīng)用的一門專業(yè)知識。“電氣控制與PLC技術(shù)”課程教學(xué)目的是使學(xué)生熟悉電氣控制系統(tǒng)的基本控制電路，具有電氣控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本能力；掌握PLC原理及編程方法，具備一定的PLC程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力，可以利用 PLC進(jìn)行一般控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造[5]，最終能勝任地方中小企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行、維修和保養(yǎng)崗位,為成為應(yīng)用型工程師打下基礎(chǔ)。

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀

本課程主要講述4部分內(nèi)容，分別是低壓電器基本知識(主要包括器件結(jié)構(gòu)，工作原理和選型)；常用電氣控制線路知識(主要講述基本電氣控制原理圖，布置圖，接線圖以及典型機(jī)床控制線路分析)；PLC硬件知識(主要講述PLC發(fā)展，工作原理，硬件結(jié)構(gòu)和存儲分配)；PLC軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用知識(主要講述PLC指令系統(tǒng)和編程方法以及指令的應(yīng)用)。

該課程是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)課程，針對該課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)也應(yīng)充分考慮應(yīng)用型人才培養(yǎng)的大方向。目前，該課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要分為課程實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)、第二課堂。

2.1課程實(shí)驗(yàn)

課程實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)，占課程總學(xué)時(shí)的1/3左右，其中包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在常用的PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式是購買某家公司的PLC硬件加上由教學(xué)儀器公司專門為PLC教學(xué)設(shè)計(jì)推出的實(shí)驗(yàn)臺[6]，實(shí)驗(yàn)臺主要是以發(fā)光管為控制對象的程序邏輯演示設(shè)備，使用此類實(shí)訓(xùn)設(shè)備，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容主要是指令學(xué)習(xí)、程序錄入以及功能演示，過于理論化，缺乏對控制系統(tǒng)的理解，與企業(yè)脫節(jié)。

2.2綜合實(shí)訓(xùn)

從現(xiàn)實(shí)的學(xué)情和教情出發(fā)，研究一套可與企業(yè)實(shí)際接軌的教學(xué)和實(shí)訓(xùn)方法至關(guān)重要。因此，學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心引入一套網(wǎng)絡(luò)型模塊化柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，該設(shè)備由供料輸送單元、搬運(yùn)單元、模擬加工單元、直線傳輸檢測單元、安裝裝配單元、立體倉庫等組成，綜合運(yùn)用了PLC控制 、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，多種傳感器，構(gòu)成一個(gè)典型的自動(dòng)生產(chǎn)線的機(jī)械平臺[7]。該設(shè)備可以模擬一個(gè)與實(shí)際生產(chǎn)情況十分接近的控制過程，使學(xué)習(xí)者得到一個(gè)非常接近于實(shí)際的教學(xué)設(shè)備環(huán)境，從而縮短了理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用之間的距離。但是，該實(shí)訓(xùn)裝置價(jià)格昂貴，體積龐大，維修困難，同時(shí)受學(xué)校資金和場地的限制。同期進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)的同學(xué)一般為40人左右，而一般的學(xué)校只會配備1至2條生產(chǎn)線，無法滿足所有同學(xué)的調(diào)試需求。

2.3第二課堂

第二課堂是引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)、研究習(xí)慣，讓學(xué)生之間、師生之間能夠有一個(gè)自覺交流溝通的平臺，可以促使學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)常態(tài)化。學(xué)院申請成立了“全國大學(xué)生西門子杯工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽校園Campus-Hub學(xué)習(xí)中心”。學(xué)習(xí)中心集中了大量PLC學(xué)習(xí)愛好者，秉承“傳承、互助、分享”的宗旨。該學(xué)習(xí)中心是創(chuàng)新實(shí)踐基地的骨干力量，在學(xué)習(xí)中心里互助互學(xué)，形成傳幫帶的科研風(fēng)氣，共同完成PLC相關(guān)的本科生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，并積極參加自動(dòng)化相關(guān)的學(xué)科競賽，取得了不錯(cuò)的成績。PLC的學(xué)習(xí)，需要設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，除了在學(xué)院允許的時(shí)間內(nèi)，申請開放實(shí)訓(xùn)平臺，大部分的實(shí)踐主要通過西門子、三菱等公司提供的PLC仿真軟件，對程序進(jìn)行仿真，缺乏對于實(shí)際系統(tǒng)直觀的調(diào)試。

3 半實(shí)物半仿真實(shí)訓(xùn)裝置

綜上所述，幾種實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)方式，都有實(shí)際系統(tǒng)缺乏，或者價(jià)格昂貴、維護(hù)困難、難以滿足大批量同學(xué)同時(shí)實(shí)踐的困難，從而使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等學(xué)校的應(yīng)用日益增多，它可以彌補(bǔ)真實(shí)裝置在實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)成本、交互性和安全性等方面的不足[8]，主要構(gòu)建一種半實(shí)物半仿真實(shí)訓(xùn)裝置。

半實(shí)物仿真，英文名稱含義：Hardware In the Loop Simulation，是指在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真回路中接入所研究系統(tǒng)的部分實(shí)物的仿真[9]，半實(shí)物仿真通常有2種情況：①用計(jì)算機(jī)作為控制器，而將受控對象作為實(shí)物直接放置在仿真回路；②控制器用實(shí)物，而受控對象使用數(shù)學(xué)模型[10]。本文采用第2種方式，以PLC為實(shí)物控制器，受控對象的建立引入組態(tài)軟件，充分利用組態(tài)軟件可以與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并具有數(shù)據(jù)存儲和監(jiān)測的功能的特點(diǎn)。

組態(tài)軟件作為專為工控開發(fā)的工具軟件，它為用戶提供了多種通用工具模塊，只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、動(dòng)畫組態(tài)等工作即可完成所需應(yīng)用軟件的開發(fā)工作[11]?？刂葡到y(tǒng)中，PLC也可以接收來自組態(tài)軟件中發(fā)出的信號，被控對象可以接受PLC向其發(fā)出的控制信號，而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，通過觀察組態(tài)界面上的動(dòng)畫顯示，使用者可以直觀的檢測PLC程序的執(zhí)行過程，以及整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程。

4 實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)組成

利用PLC與組態(tài)軟件相結(jié)合的方法，通過組態(tài)軟件，全真模擬PLC被控目標(biāo)，用軟件代替實(shí)物，即可使用有限的設(shè)備和靈活的程序來豐富實(shí)踐教學(xué)[12]。采用典型工業(yè)生產(chǎn)流程，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場真實(shí)設(shè)備，并借助仿真軟件全面模擬實(shí)際的生產(chǎn)工藝過程[13]，可以深入開展項(xiàng)目教學(xué)、案例教學(xué)。本系統(tǒng)主要包含顯示器、主機(jī)和PLC3部分,系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

顯示器：觀察監(jiān)測控制過程，檢驗(yàn)PLC程序運(yùn)行后的控制結(jié)果是否正確。

主機(jī)，作為上位機(jī)，安裝組態(tài)軟件，及PLC的編程軟件。組態(tài)軟件用來設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，建立數(shù)據(jù)庫并定義組態(tài)變量；PLC的編程軟件用來編寫程序，并將程序編譯成功后，下載到PLC中。

PLC，作為下位機(jī)，與上位機(jī)進(jìn)行通信，接受來自外部或者組態(tài)軟件的控制信號，運(yùn)行用戶程序，并反饋運(yùn)行結(jié)果給上位機(jī)。

本文實(shí)例采用的組態(tài)軟件是ForceControl V7.0，采用西門子S7-200系列的PLC，構(gòu)建“電氣控制與PLC綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主界面如圖2所示。在實(shí)際使用中，只需修改設(shè)備組態(tài)，就可以使該系統(tǒng)滿足其他PLC類型。

其中，第1部分電氣控制電路為演示系統(tǒng)，供用戶學(xué)習(xí)基本的電氣控制線路，可以觀察電氣控制線路的基本組成及工作原理，圖3所示為三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路，按照實(shí)際操作，合上電源開關(guān)QS，按下正轉(zhuǎn)按鈕SB2，圖中KM2線圈得電變紅色，KM2觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行。按下反轉(zhuǎn)按鈕SB3，圖中KM3線圈得電變紅色，KM3觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行。按下停止按鈕SB1，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

圖2 綜合實(shí)訓(xùn)裝置主界面

圖3 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

第2部分為PLC電氣控制系統(tǒng)，包含兩個(gè)簡單的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，即電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)以及電動(dòng)機(jī)星三角降壓啟動(dòng)的PLC控制系統(tǒng)，圖4所示為三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)PLC控制系統(tǒng)。除簡單電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)之外，包含多個(gè)仿真控制系統(tǒng)，例如“十字路口交通燈控制系統(tǒng)”“機(jī)械手控制系統(tǒng)”“供料傳輸系統(tǒng)”等。下面以供料傳輸系統(tǒng)為例，介紹實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)過程。

圖4 三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)PLC控制系統(tǒng)

4.2供料傳輸系統(tǒng)功能

圖5為模塊式柔性生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)物模型，供料傳輸系統(tǒng)為該系統(tǒng)的第一站起始單元，在整個(gè)系統(tǒng)中起著向系統(tǒng)中的其他單元提供原料的作用，其工作過程為：當(dāng)供料傳輸單元的料倉工件有無傳感器檢測到料倉內(nèi)有毛坯零件時(shí)，推料氣缸動(dòng)作，活塞桿伸出，將毛坯零件從倉內(nèi)推到傳輸帶上，傳輸帶開始運(yùn)行，同時(shí)推料氣缸活塞桿返回，準(zhǔn)備從倉內(nèi)推出下一個(gè)毛坯零件。傳輸帶將毛坯零件送到其末端阻擋機(jī)構(gòu)，并將毛坯零件擋住，設(shè)在阻擋機(jī)構(gòu)處的工件有無傳感器檢測到有毛坯零件，發(fā)信號給機(jī)械手工作站，來搬取毛坯零件。

圖5 柔性生產(chǎn)線實(shí)物模型

實(shí)際供料傳輸系統(tǒng)，主要由鋁合金型材基體、料倉、推料氣缸、傳輸帶、變頻器、光纖傳感器、磁感應(yīng)開關(guān)、電磁閥及PLC控制系統(tǒng)等組成。設(shè)置基于組態(tài)軟件的半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置，首先完成“供料傳輸單元”應(yīng)用程序的圖形描述部分工作；然后需要定義I/O 設(shè)備、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、制作動(dòng)畫連接和設(shè)置I/O 驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)庫是應(yīng)用程序的核心，動(dòng)畫連接使圖形“活動(dòng)”起來，I/O 驅(qū)動(dòng)程序完成與硬件測控設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

4.3圖形界面設(shè)計(jì)

圖形界面可以利用組態(tài)軟件提供的圖庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖庫是系統(tǒng)預(yù)先建立好的組合圖形對象。組態(tài)軟件系統(tǒng)提供十幾個(gè)圖形庫幾百個(gè)元件，包括控制按鈕、電機(jī)、泵、開關(guān)和其他標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)元件，設(shè)計(jì)者可以簡單地從圖庫中取出元件加到自己的應(yīng)用中[14]。

供料傳輸系統(tǒng)圖形界面包括操作面板和控制系統(tǒng)，如圖6所示。操作面板包含有加料按鈕，開始按鈕、復(fù)位按鈕、手/自動(dòng)旋鈕、停止按鈕、上電按鈕、急停按鈕以及各種指示燈組成?？刂葡到y(tǒng)包含有料倉、氣缸、傳送帶以及各種傳感器組成，傳感器包括料倉工件有無傳感器、氣缸推出和返回傳感器、到料檢測傳感器等。

圖6 供料傳輸單元界面設(shè)計(jì)

4.4I/O組態(tài)及數(shù)據(jù)連接

圖形界面是靜態(tài)的，要想監(jiān)測PLC程序的執(zhí)行過程和運(yùn)行結(jié)果，產(chǎn)生動(dòng)畫效果，必須將圖中的圖形元素跟PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，如圖7所示，例如代表氣缸輸出檢測傳感器的變量qigang_out，跟已組態(tài)好的設(shè)備S7200PLC內(nèi)部變量M30.0相連接，通過動(dòng)畫設(shè)置，可以改變PLC內(nèi)部變量M30.0。

圖7 I/O組態(tài)

4.5建立動(dòng)畫連接

動(dòng)畫連接是將畫面中的圖形對象與變量之間建立某種關(guān)系，當(dāng)變量的值發(fā)生變化時(shí)，在畫面上圖形對象的動(dòng)畫效果動(dòng)態(tài)變化方式體現(xiàn)出來。有了變量之后就可以制作動(dòng)畫連接了。一旦創(chuàng)建了一個(gè)圖形對象，給它加上動(dòng)畫連接就相當(dāng)于賦予它“生命”，使它動(dòng)起來。以推料氣缸為例，PLC運(yùn)算得到氣缸推出的命令，使代表氣缸的圖形位移發(fā)生改變，通過圖形的位移來判斷氣缸的推出和返回，并改變變量qigang_out和qigang_in的值，重新傳遞給PLC，進(jìn)行下一個(gè)周期的運(yùn)算。

圖8 推料氣缸動(dòng)作

4.6調(diào)試運(yùn)行

設(shè)計(jì)完實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，只需一臺PLC，以及簡單的外部設(shè)備，如圖9所示，就可以完成整個(gè)供料傳輸單元的調(diào)試工作。編寫用戶程序并寫入PLC控制器，再連接組態(tài)系統(tǒng)和PLC。調(diào)入組態(tài)運(yùn)行畫面運(yùn)行程序，組態(tài)系統(tǒng)首先根據(jù)變量初始值，初始化圖形界面的位置和顏色，然后跟PLC交互數(shù)據(jù)，刷新控制變量，并根據(jù)接收到的控制信號，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作過程，同時(shí)發(fā)出控制信號，如果有結(jié)束信號，則系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束，沒有則重新與PLC交互數(shù)據(jù)，程序流程圖如圖10所示。 由此，通過圖形界面，可以得到與實(shí)際系統(tǒng)相同的效果，驗(yàn)證程序的正確性。

圖9 PLC外設(shè)

圖10 半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置運(yùn)行流程

5 結(jié) 語

電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，極具工程背景的專業(yè)特點(diǎn)，以培養(yǎng)“現(xiàn)場工程師”為教育目標(biāo)[15]，要求學(xué)生不但要具備專業(yè)的理論知識和技能，還要能夠從工程問題角度出發(fā)來思考、分析問題，利用組態(tài)軟件，構(gòu)建以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景的虛擬對象，利用有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和靈活的程序來豐富實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。甚至也可以讓學(xué)生自己通過企業(yè)調(diào)研，設(shè)計(jì)組態(tài)系統(tǒng)，既能熟練掌握PLC的使用技巧，又能加深對企業(yè)的實(shí)際工業(yè)流程的理解?；诮M態(tài)軟件的電氣控制與PLC半實(shí)物半仿真實(shí)訓(xùn)裝置，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求低、易維護(hù)、使用靈活方便。經(jīng)過試用，該裝置在PLC實(shí)訓(xùn)教學(xué)和學(xué)生的第二課堂學(xué)習(xí)中，發(fā)揮了重要作用。

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Construction of Hardware-in-loop Simulation Training Devices for Course of Electric Control and PLC Technology

ZHOUYu1,ZHANGWeneng2

(1.College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang 215600,Jiangsu,China; 2.Xuzhou China Base Ruikong Jidian Keji Co.,Ltd.,Xuzhou 221008,Jiangsu,China)

The electric control and PLC technology is a course with strong practicality.To meet the practical requirements on PLC controllers under different application environments， a set of hardware-in-loop simulation training devices are designed.In this way， the correctness of PLC control programs can be verified quickly and safely based on intuitive and authentic displaying.Finally， taking the feeding and transmission system of the automatized production line as an example,the construction and application of the hardware-in-loop simulation training devices are described deeply.

electrical control; programmable logic controller(PLC); hardware-in-loop simulation; training devices

2016-08-29

江蘇省教育科學(xué)研究院現(xiàn)代教育技術(shù)研究項(xiàng)目(2015-R-42233)；江蘇科技大學(xué)高教研究項(xiàng)目(GJKTY2014-12)；2016年江蘇科技大學(xué)教學(xué)方法改革示范課程

周 瑜(1984-)，女，江蘇張家港人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事工業(yè)自動(dòng)控制教學(xué)與研究。

Tel.：15895599393;E-mail:zhouyu_zjg@163.com

G 642

：A

1006-7167(2017)07-0230-05