“PLC控制技術”實踐教學項目研究

柏艷紅，李 虹

(太原科技大學電子學院，山西太原 030024)

“PLC控制技術”是自動化和電氣工程及自動化專業(yè)的主干專業(yè)課之一，具有很強的應用性和實踐性，其實踐教學起著舉足輕重的作用［1］。為了培養(yǎng)學生的工程應用能力，順應高校“卓越工程師教育”和“工程教育專業(yè)認證”要求，適應當今社會對PLC控制技術人才的需求，我校建立了以西門子公司產(chǎn)品為主的自動化工程訓練中心，配備有西門子公司在工業(yè)控制領域的主流控制產(chǎn)品，還配有一些實物對象或者實物模擬對象［2］。

為充分挖掘訓練中心現(xiàn)有設備的功能，提高設備利用率，需要建立“PLC控制技術”實踐教學體系，包括制定訓練項目和訓練內(nèi)容、開發(fā)應用案例、編寫項目任務書或指導書、制定實訓教學計劃等方面。其中，訓練項目的制定是其它各項工作的基礎。本文基于現(xiàn)有硬件設備資源，依據(jù)“PLC控制技術”教學大綱的要求，結(jié)合PLC典型工程應用案例，開發(fā)“PLC控制技術”實踐教學訓練項目。

1 硬件資源

訓練中心現(xiàn)有硬件設備分為五類:①S7-200 PLC多功能實驗臺;②S7-300/400 PLC及分布式I/O從站;③觸摸屏、裝有CP5611通訊卡和 CP1613以太網(wǎng)卡的工控機等人機交互設備;④工業(yè)通訊網(wǎng)絡設備;⑤配有控制器或變頻器的交/直流電機、起重機模型、機械手、電熱鍋爐、模擬交通燈控制對象。

S7-200 PLC多功能實驗臺配備有模擬量輸入輸出、DP通訊、以太網(wǎng)通訊等擴展模塊，以及文本顯示器、繼電器和指示燈等電器元件，還有步進電機驅(qū)動的直線滑臺、變頻器驅(qū)動的交流電機等被控對象。

基于現(xiàn)有的硬件設備，可以完成很多貼近工程實際的訓練項目?？刂茖ο蠛蚉LC可以自由組合，PLC之間可以組建網(wǎng)絡，工控機和觸摸屏也可以與PLC共同組建不同對象的監(jiān)控系統(tǒng)，還可以構建基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP的工業(yè)控制網(wǎng)絡。下面按硬件設備分三大部分討論訓練項目的制定。

2 基礎訓練項目

訓練中心的多功能實驗臺能夠進行基礎訓練項目。利用多功能實驗臺上和臺外的控制對象，構成各種單機控制系統(tǒng)。根據(jù)它們在實際系統(tǒng)中的應用，可以制定多種訓練項目。

本節(jié)分四類討論基于多功能實驗臺的訓練項目制定，包括異步電機變頻調(diào)速類、步進滑臺定位控制類、實物對象類、監(jiān)控和網(wǎng)絡控制類。

1)異步電機變頻調(diào)速類

異步電機變頻調(diào)速在各種機電設備、自動化生產(chǎn)線、過程控制領域廣泛應用，盡管對變頻調(diào)速的要求不盡相同，但歸納起來常用的主要有四大類:①多段速調(diào)速;②按設定波形無級調(diào)速;③按設定速度無級調(diào)速;④多臺電機協(xié)調(diào)運行。

根據(jù)這四類變頻調(diào)速要求，制定了變頻調(diào)速訓練項目，見表1。

表1 異步電機變頻調(diào)速訓練項目

訓練項目共有5項，它們結(jié)合常用的速度設定方式、速度檢測/顯示方法以及速度切換方式，給出了不同方案［3～5］。

2)步進滑臺定位控制類

步進電機驅(qū)動的直線滑臺也是各種機電設備、自動化生產(chǎn)線廣泛應用的一種裝置，用于定位控制。如:某自動生產(chǎn)線采取步進電機驅(qū)動搬運站的機械手裝置整體運動，步進電機的運動過程依次為原點、供料站、加工站、裝配站、分揀站、原點五個運動過程的循環(huán)，為多點定位，為滿足定位精度和速度要求，采用加速啟動、勻速運行、接近定位點時的減速停車的變速運行方式，通過脈沖數(shù)實現(xiàn)定位;某藥柱切片機系統(tǒng)的工作臺由步進電機驅(qū)動，用于夾緊藥柱，運行時，工作臺向前走一片厚度的距離停止，切刀完成切片后，工作臺再進一片厚度尺寸，如此循環(huán)工作，直至完成設定切片數(shù)，為低速運行多點定位，采用脈沖數(shù)實現(xiàn)定位;某物料搬運機械手由步進電機控制沿X軸與Y軸運動，要求兩臺電機順序動作［6-8］。另外，各設備都要求有回原點功能和點動運行功能，這兩種情況都采用低速勻速運行，回原點控制采用行程開關定位，點動采用按鈕控制定位。

綜合各種設備或生產(chǎn)線中定位控制的要求，主要有三類:兩點往復運行、多點定位、多臺電機順序或協(xié)調(diào)動作。根據(jù)運行速度和定位精度的不同要求，定位方式有低速勻速運行脈沖數(shù)定位、低速勻速運行行程開關定位、高速變速運行脈沖數(shù)定位和高速變速運行行程開關定位四種。根據(jù)上述定位控制要求，制定了步進滑臺訓練項目，根據(jù)定位切換方式，給出了一些選擇方案，見表2。

表2 步進滑臺定位控制訓練項目

各項目可選擇勻速脈沖數(shù)定位、勻速行程開關定位、變速脈沖數(shù)定位、變速行程開關定位等不同定位方式，可以選擇速度和位置固定或者采用TD400設置。

3)實物對象類

在S7-200PLC多功能實驗臺上，針對各控制對象的可選擇方案制定了訓練項目，見表3。各項目可選擇采用TD 400監(jiān)控或者按鈕控制。

表3 s7-200 PLC實物對象訓練項目

4)監(jiān)控和網(wǎng)絡控制類

PPI網(wǎng)絡具有成本低、編程容易和可靠性高等特點，常用于小型自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。如某自動配料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，以一臺S7-200 PLC為主站，通過PPI通信方式管理3個S7-200 PLC從站。每個從站配有TD400C，監(jiān)控7種原料的重量及相關信息;主站配有觸摸屏，顯示整個系統(tǒng)生產(chǎn)信息，控制生產(chǎn)過程［9］。

PPI網(wǎng)絡控制系統(tǒng)主要結(jié)構功能為:一臺PLC主站管理多臺PLC從站;觸摸屏人機界面或上位機與主站通訊從而監(jiān)控整個系統(tǒng)運行，如圖1所示。

圖1 PPI控制網(wǎng)絡結(jié)構

根據(jù)實際系統(tǒng)控制要求和設備布局，每個從站可以配備文本顯示器或觸摸屏人機界面。PLC主站可以在現(xiàn)場，也可以在主控室(通訊距離在50 m內(nèi))。采用上位機監(jiān)控時，監(jiān)控軟件可以選擇組態(tài)王、MCGS和WinCC等組態(tài)軟件，也可以選擇VB、VC和LabVIEW等高級語言編程。

PPI網(wǎng)絡控制系統(tǒng)涉及的內(nèi)容較多，有PLC之間的PPI通訊、PLC與上位機的通訊、組態(tài)軟件使用、觸摸屏/文本顯示器的組態(tài)和各從站控制程序等，這里采用單元訓練和綜合訓練相結(jié)合的方式制定訓練課題。對于從站單機控制系統(tǒng)，前面已經(jīng)制定了訓練項目，本節(jié)不再考慮。

當通訊距離較長、系統(tǒng)規(guī)模較大、要求實時性較強時，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)通常采用基Profibus現(xiàn)場總線的一臺上位計算機監(jiān)控多臺PLC從站的網(wǎng)絡結(jié)構，上位機與每臺PLC直接通訊［10］。

結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件，制定的關于網(wǎng)絡控制的訓練項目見表4。

表4 s7-200 PLC監(jiān)控和網(wǎng)絡控制訓練項目

3 高級訓練項目

本科生開設的“PLC控制技術”課程重點講授的是S7-200 PLC基本原理和應用，高級訓練項目的目的是使學生在短時間內(nèi)掌握應用廣泛的S7-300/400 PLC。

高級訓練項目在S7-300/400 PLC實驗臺上進行。與該實驗臺配套的有4套變頻器驅(qū)動的異步電機和2套直流控制器驅(qū)動的直流電機，結(jié)合臺外實物模型對象，制定了S7-300/400 PLC訓練項目，包括:電機調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)、起重機監(jiān)控系統(tǒng)和機械手監(jiān)控系統(tǒng)。

根據(jù)人機界面、組態(tài)軟件和通訊協(xié)議的不同，可構成多種選擇方案。人機界面可選擇觸摸屏或上位機;組態(tài)軟件可采用WinCC、組態(tài)王和MCGS等;通訊方式可采用MPI、FROFIBUS和以太網(wǎng)等。

4 自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)訓練項目

西門子PCS7過程控制系統(tǒng)開發(fā)平臺提供全集成的STEP7和WINCC，提供連續(xù)控制功能圖、順序控制功能圖、控制系統(tǒng)庫等適合過程控制的軟件包，采用統(tǒng)一的組態(tài)、通訊和數(shù)據(jù)管理功能，廣泛應用于電力、冶金、化工、制藥等工業(yè)自動化領域［11-13］。利用實驗室的S7-400/300/200 PLC、ET 200M、現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)，可以組成從簡單到復雜不同規(guī)模的PCS7網(wǎng)絡，結(jié)合各種電機和實物被控對象，制定了基于PCS7的自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)訓練項目，包括:機械手控制系統(tǒng)開發(fā)、起重機控制系統(tǒng)開發(fā)、交通燈控制系統(tǒng)開發(fā)、多臺電機運行監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)以及多臺設備運行監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)。

根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構形式的不同，每個項目具有多種選擇方案，如:操作員站+S7-300/400 PLC自動化站+ET 200M從站，操作員站+S7-400 PLC自動化站+多ET 200M/S7-200/S7-300從站，操作員站+多S7-300/400 PLC自動化站+多ET 200M/S7-200從站等，多操作員站+多S7-300/400 PLC自動化站+多ET 200M/S7-200從站等。

5 結(jié)語

本文介紹了“PLC控制技術”實踐教學訓練項目:基于S7-200 PLC多功能實驗臺的基礎訓練項目，除了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)項目作為畢業(yè)設計課題外，其余均在課程設計中完成?；赟7-300/400 PLC的高級訓練項目和綜合自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)訓練項目均作為畢業(yè)設計課題。所有訓練項目都可以用于對PLC有興趣的大學生和研究生的課外學習。

大部分訓練項目已在近年來的教學中獲得應用，收到良好的教學效果。學生在開放的、先進的實驗設備上進行實驗，激發(fā)了學習興趣和主動性，動手能力和創(chuàng)新能力都得到提高，同時培養(yǎng)了學生的工程應用能力。

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