電氣控制與PLC仿真教學(xué)的設(shè)計與應(yīng)用

摘 要：近年來，工科實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式不斷改革，現(xiàn)大多數(shù)高職院校開設(shè)了電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)相關(guān)課程，通過逐漸實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件和PLC應(yīng)用平臺的電氣控制技術(shù)仿真教學(xué)，這對提高教學(xué)質(zhì)量、節(jié)省教學(xué)成本、鍛煉學(xué)生技能具有不可或缺的意義。

關(guān)鍵詞：電氣控制；仿真教學(xué)；PLC應(yīng)用技術(shù)

中圖分類號：TM571.61-4

在各高職院校工科實(shí)踐課程教學(xué)中，采用實(shí)物演示教學(xué)，學(xué)生容易理解，教學(xué)質(zhì)量相對較高。但也存在一些問題，比如教學(xué)普遍存在直觀性差、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和模式單一等問題，這對學(xué)生培養(yǎng)十分不利，同時還可能浪費(fèi)教學(xué)經(jīng)費(fèi)。因此為解決目前電氣控制與PLC相關(guān)課程教學(xué)存在的問題，學(xué)校老師和軟件公司合作，以動態(tài)軟件和PLC為實(shí)際應(yīng)用平臺實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)，這樣既可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，也有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

1 仿真系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路與基本構(gòu)成

就目前我國多數(shù)學(xué)校仿真教學(xué)情況來看，基本都是使用Flash與PPT等軟件制作仿真教學(xué)課件，難以實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真與硬件數(shù)據(jù)傳輸。而組態(tài)軟件是一款不錯的工具軟件，用它開發(fā)出的仿真系統(tǒng)以普通PC機(jī)作為上位機(jī)，下位機(jī)則有PLC與觸摸屏等組成，且利用串口或者總線將上、下位機(jī)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換與通信。組態(tài)軟件采用國產(chǎn)純中文MCGS在上位機(jī)的組態(tài)軟件基礎(chǔ)上，建立仿真模擬實(shí)際設(shè)備或者線路工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真功能。在這種仿真方法下，我們開發(fā)了“電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制”、“機(jī)械手”、“混料罐”、“簡易電梯”等多種被控對象的仿真模型，應(yīng)用在教學(xué)中取得了不錯的效果。

1.2 系統(tǒng)基本原理

通過一個串行口，將PLC編程口與計算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其主要功能是寫入、調(diào)試程序以及上位機(jī)的監(jiān)視。在與PLC通信過程中，上位計算機(jī)開始接收外部輸入信號，根據(jù)實(shí)現(xiàn)編寫好的程序運(yùn)行，利用PLC發(fā)出控制信號給被控對象，確保被控對象的正常運(yùn)行。被控對象的運(yùn)行往往需要實(shí)驗(yàn)操作面板的按鈕與開關(guān)控制，同時也可以通過上位計算機(jī)組態(tài)軟件控制，其運(yùn)行效果圖在計算機(jī)上顯出出來。MCGS組態(tài)軟件利用相關(guān)接口與PLC進(jìn)行通信，對PLC所有的存儲器、控制器以及I/O接口的狀態(tài)進(jìn)行全過程監(jiān)控，以變量值的形式傳送到計算機(jī)，以供上位機(jī)的使用與處理。仿真被控對象與PLC通過通訊交互，可以建立被控對象與PLC之間的控制關(guān)系。組態(tài)軟件接收PLC發(fā)出的控制信號，然后按照程序執(zhí)行，從計算機(jī)上反映出PLC控制的過程與結(jié)果，且通過屏幕能直接判斷出控制結(jié)果的正確性，給人一種身臨其境的感覺。因此在電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)教學(xué)中，老師和學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室中通過仿真系統(tǒng)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生PLC編程能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

2 電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)仿真教學(xué)實(shí)例分析

2.1 傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)仿真

由于電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制等系統(tǒng)通過繼電器硬件編程實(shí)現(xiàn)，那么在相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計中，則不需要編寫PLC程序，只需將PLC作為信號轉(zhuǎn)換電路，建立與PC信號連接與轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)板。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，在MCGS組態(tài)軟件中，控制體系難以建立相應(yīng)的元件圖形，因此必須采用專用的圖形軟件對元件圖形進(jìn)行制作和管理，這就使得被控對象具有一定的虛擬性和專業(yè)色彩，其樹立的形象十分逼真，更容易讓人理解和接受，從而根據(jù)控制要求在系統(tǒng)工作原理上建立仿真畫面。

為更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能，必須有效的定義MCGS組態(tài)軟件中的相應(yīng)變量，建立起畫面與系統(tǒng)變量的連接，實(shí)現(xiàn)對動畫的有效控制，從而確保下位機(jī)通信需求且科學(xué)地進(jìn)行設(shè)備組態(tài)設(shè)置。在安裝好PLC驅(qū)動程序、設(shè)置好系統(tǒng)的通信端口數(shù)后，通過觀察各種變量的定義與發(fā)展過程，從而在組態(tài)軟件中建立對外部設(shè)備狀態(tài)管理和監(jiān)控的體系，以此來控制信號和實(shí)驗(yàn)板，更充分的表現(xiàn)出系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因此為實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的控制要求與目標(biāo)，需要不斷管理與調(diào)整組態(tài)腳本控制程序，待其無誤后方能進(jìn)行運(yùn)行與發(fā)展環(huán)境，通過控制面板中的各個按鈕實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)各開關(guān)與接觸器等器件的動態(tài)顯示。

2.2 PLC電氣控制系統(tǒng)仿真

下面我們以電氣控制技術(shù)課程中編輯一個三相異步交流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路為例：

第一步，元器件的添加。用鼠標(biāo)左鍵雙擊元器件選擇區(qū)的某個元器件后，仿真平臺上出現(xiàn)該元器件，或者單擊選擇區(qū)域元器件，把鼠標(biāo)移動至機(jī)電控制仿真平臺上，光標(biāo)變成正方形，在仿真編輯區(qū)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，也可添加該元器件。但要注意有的元器件選擇需要注意選型，選擇不合理元器件會燒掉或者導(dǎo)線燒掉。利用控制原理和所需器件列表，通過多次完成元器件添加，并進(jìn)行位置布置，使其后面的接線更加合理。

第二步，對系統(tǒng)進(jìn)行組裝。按照原理圖，利用工具欄中的 ，對器件進(jìn)行連接，完成后如圖1所示：

第三步，導(dǎo)入或者編寫PLC程序，仿真準(zhǔn)備工作完畢。

（1）選擇PLC，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“導(dǎo)入外部程序”，選擇需要從外面導(dǎo)入的PLC程序文件。

（2）點(diǎn)擊“導(dǎo)入程序”，選取已經(jīng)建立好的PLC程序，并對程序進(jìn)行保存。

（3）假如是自己編寫，可以點(diǎn)擊“新建程序”，顯示如圖2示的對話框，進(jìn)入到所選PLC的程序編輯軟件，編寫完成后可進(jìn)行保存。

（4）點(diǎn)擊“添加擴(kuò)展單元/模塊”，還可進(jìn)行PLC模塊的添加也可在對話框上雙擊需要添加的擴(kuò)展模塊/單元，即可自動完成添加。

第四步，啟動機(jī)電控制仿真平臺，完成電動機(jī)模擬運(yùn)行。將PLC程序下載至PLC中后，點(diǎn)擊工具條中的 按鈕，啟動機(jī)電控制仿真平臺；通過主令電器進(jìn)行控制，按正轉(zhuǎn)按鈕，電動機(jī)順時針正轉(zhuǎn)；點(diǎn)擊反轉(zhuǎn)按鈕，電動機(jī)逆時針反轉(zhuǎn)。按停止按鈕，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。最后按工具欄中的 ，停止仿真平臺的運(yùn)行。

3 結(jié)束語

組態(tài)軟件和PLC技術(shù)為基礎(chǔ)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，運(yùn)用計算機(jī)模擬被控對象，建立了比較直觀的控制效果，給學(xué)生一種身臨其境的感受，幫助學(xué)生克服了實(shí)物被控對象的缺陷，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。同時，該系統(tǒng)在有限的資金成本下，以多樣化的發(fā)展程序不斷豐富電氣控制相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性和多樣性，從而實(shí)現(xiàn)全方位的教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)一步促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃廣霞，李素芳.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)教學(xué)方法探討[J].河南農(nóng)業(yè)，2010（08）：24.

[2]黃衛(wèi)庭.仿真技術(shù)在電氣控制技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010（05）：44-46.

[3]劉穎.仿真技術(shù)在電氣控制技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].信息安全與技術(shù)，2013（05）：101-102.

[4]張紅霞，劉義才.PLC應(yīng)用技術(shù)課程情境教學(xué)設(shè)計與實(shí)踐[J].中國電力教育，2014（09）：103-104.

作者簡介：管成程（1978-），男，山東青島人，講師，本科，研究方向：電機(jī)與電氣自動化控制。

作者單位：青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島 266404