基于pLC縮比運(yùn)料模型實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

徐 航，黃仲平，沈 燁，鄒彤陽

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065）

基于pLC縮比運(yùn)料模型實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

徐 航，黃仲平，沈 燁，鄒彤陽

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065）

依托四川大學(xué)pLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)改造項(xiàng)目，設(shè)計與實(shí)現(xiàn)了一套滿足教學(xué)與科研需求的PLC程控縮比運(yùn)料小車模型的實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺綜合運(yùn)用了軟硬件結(jié)合程控負(fù)載的現(xiàn)代控制理論、仿真技術(shù)、PLC應(yīng)用技術(shù)、USB通信技術(shù)和工業(yè)控制原理等方面知識，為教學(xué)和科研奠定了良好的軟硬件基礎(chǔ)，能充分滿足學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行pLC控制各種常用負(fù)載的要求，具有重要的教學(xué)和科研意義。該文著重研究和討論了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件和軟件部分的設(shè)計思想、具體實(shí)現(xiàn)方法以及平臺改造價值。

程控負(fù)載；控制理論；軟硬件結(jié)合；改造價值

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.022

PLC課程不僅是教給學(xué)生軟件編程方法，更重要的是幫助學(xué)生建立起實(shí)際的pLC控制系統(tǒng)概念，使學(xué)生正確掌握pLC控制系統(tǒng)的組成、各部分作用及相互關(guān)系，為學(xué)生在今后的pLC技術(shù)應(yīng)用方面打下扎實(shí)的基礎(chǔ)［1-3］。相比傳統(tǒng)的繼電器控制實(shí)驗(yàn)，PLC控制實(shí)驗(yàn)由于其突出的工程性和廣泛的應(yīng)用性，對培養(yǎng)學(xué)生良好的工程意識、較強(qiáng)的實(shí)踐能力、敏銳的創(chuàng)新能力和較高的綜合素質(zhì)均具有舉足輕重的作用［4-5］。

當(dāng)前理工科高校均開設(shè)了pLC課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程的重要環(huán)節(jié)，但大多數(shù)高校在課程教學(xué)上均存在著實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備投資不能滿足當(dāng)前pLC課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)需要的問題［6］。針對此問題，四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自行設(shè)計了pLC程控縮比運(yùn)料小車模型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有計算機(jī)、縮比運(yùn)料小車負(fù)載、交流電動機(jī)與PLC實(shí)驗(yàn)裝置等資源，構(gòu)建了具有較強(qiáng)教學(xué)與科研功能的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 交流電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺改造

基于我校研究型本科教學(xué)的定位，結(jié)合卓越工程師培養(yǎng)計劃的要求以及現(xiàn)代社會發(fā)展對人才的需求情況，我校對傳統(tǒng)的控制實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了改造［7］。傳統(tǒng)的控制實(shí)驗(yàn)平臺主要采用各種繼電器、傳感器以及電動機(jī)完成一個簡單的控制電路；隨著教學(xué)、科研以及人才培養(yǎng)要求的發(fā)展，傳統(tǒng)的電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺已不能滿足要求［8-10］。我校對電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的改進(jìn)方案是在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上加入仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既突出了重點(diǎn)，又強(qiáng)化了實(shí)訓(xùn)，同時兼顧了科研。本文重點(diǎn)介紹pLC實(shí)驗(yàn)平臺改造方案，以及平臺改造的成果和意義。改造框圖如圖1所示。

圖1 綜合創(chuàng)新傳動實(shí)驗(yàn)平臺改造框圖

傳統(tǒng)傳動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要配置一定數(shù)量的設(shè)備和儀器，在運(yùn)行過程中還有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品和耗材，如圖2所示，主要由三相電源、交流接觸器、熱繼電器、時間繼電器、開關(guān)、接線柱以及交流電動機(jī)等組成［11］，通過各種繼電器的配合使用來控制電機(jī)的不同狀態(tài)，完成相應(yīng)的動作。

這種實(shí)驗(yàn)平臺雖然可見性和操作性較強(qiáng)，但由于受實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品及耗材、指導(dǎo)教師以及實(shí)驗(yàn)學(xué)時等因素的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般只能分組進(jìn)行［12］。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生動手操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的機(jī)會較少，多數(shù)學(xué)生是在看實(shí)驗(yàn)而不是在做實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果不理想；而購置大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要大量的資金；同時，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我唬⒉荒芎芎玫劐憻拰W(xué)生的創(chuàng)新思維。

圖2 電機(jī)運(yùn)動控制線路圖

四川大學(xué)作為教育部直屬重點(diǎn)高校，在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)上一直堅(jiān)持改革，將傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合，開發(fā)研究型、綜合型實(shí)驗(yàn)題目。比如實(shí)驗(yàn)室將傳統(tǒng)的繼電器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改造，改造流程如圖3所示。圖4是電機(jī)控制縮比運(yùn)料小車的實(shí)物圖。

圖3 運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)平臺改進(jìn)方案

圖4 電機(jī)控制縮比運(yùn)料小車的實(shí)物圖

1.2 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的需要，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺上通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并且加入仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是十分必要的［13］。軟硬結(jié)合，在學(xué)生搭建硬件電路并測試出結(jié)果后，鼓勵學(xué)生使用相應(yīng)的仿真軟件進(jìn)行再次分析，在更好地理解實(shí)驗(yàn)的同時掌握相應(yīng)軟件的使用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入仿真系統(tǒng)有以下好處。

1）仿真實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)過程中的應(yīng)用模擬了現(xiàn)實(shí)中的可控對象，需要的硬件設(shè)施少，僅需要配置計算機(jī)和可編程控制器，可以充分利用教學(xué)場地為更多的學(xué)生服務(wù)。

2）可編程控制器具有良好的穩(wěn)定性，模擬的可控對象可做到零損耗，減少了實(shí)驗(yàn)耗材的投入。

曾憲威還表示，推動小區(qū)建設(shè)電動車集中停放、充電區(qū)，建設(shè)滿足消防要求的電動車充電設(shè)施，消除消防安全隱患，將是下一步的工作重點(diǎn)。此外，要依托社區(qū)消防宣傳大使隊(duì)伍，在各住宅小區(qū)高頻次開展社區(qū)消防宣傳活動，組織消防志愿者進(jìn)社區(qū)、進(jìn)家庭，“大力普及消防安全知識，切實(shí)增強(qiáng)居民消防安全意識，全面提升消防隊(duì)伍防火滅火能力，以實(shí)際行動交上一份合格的答卷”。

3）被控對象在計算機(jī)上通過動畫進(jìn)行逼真地展現(xiàn)，避免實(shí)際對象在工作過程中因移動、升降和旋轉(zhuǎn)等動作帶來的危險，提高了安全系數(shù)。

4）可以使學(xué)生更加靈活地設(shè)計實(shí)驗(yàn)，可以有效鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維。在完成過程控制的同時，加強(qiáng)理解計算機(jī)與控制器之間的通訊方式以及軟件程序的編寫技巧。

實(shí)驗(yàn)室在加強(qiáng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建的同時也在積極開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以讓學(xué)生進(jìn)一步了解數(shù)據(jù)傳輸以及自動化控制原理；同時學(xué)生可以在宿舍遠(yuǎn)程完成傳動控制實(shí)驗(yàn)，這既可緩解實(shí)驗(yàn)室課程安排的壓力，也方便學(xué)生在預(yù)約的前提下可以任選時間完成實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)室都有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣型，也得到了學(xué)校的大力支持。

2 PLC運(yùn)動控制平臺硬件電路設(shè)計

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺硬件組成

與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，PLC在三相異步電動機(jī)控制中的應(yīng)用具有控制速度快、可靠性高、靈活性強(qiáng)、功能完善等優(yōu)點(diǎn)，因此實(shí)驗(yàn)室用pLC控制代替現(xiàn)有的繼電器控制平臺?；赑LC的縮比運(yùn)料小車模型控制實(shí)驗(yàn)平臺主要包括兩大部分: 1）仿真部分，采用一臺電腦作程序仿真，并與PLC實(shí)驗(yàn)箱相互通信；2）電氣控制部分，包括PLC實(shí)驗(yàn)箱和中間繼電器轉(zhuǎn)接板，根據(jù)梯形圖控制負(fù)載完成相應(yīng)的動作。本次實(shí)驗(yàn)平臺改造所用的負(fù)載是縮比運(yùn)料小車模型，如圖5所示。

圖5 縮比運(yùn)料小車模型

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

PLC實(shí)驗(yàn)箱可以直接控制小的電磁閥，流水燈以及電梯縮比模型等小功率負(fù)載；但其帶負(fù)載能力有限，并不能直接驅(qū)動大功率負(fù)載。本次實(shí)驗(yàn)改造用的負(fù)載是型號為YS-7114的三相交流電機(jī)以及縮比運(yùn)料小車模型，其功率均大于300 W。為安全考慮，需在pLC實(shí)驗(yàn)箱和負(fù)載之間加入中間繼電器，電路如圖6所示。

圖6 中間繼電器驅(qū)動電路圖

2.3 保護(hù)電路設(shè)計

電動機(jī)控制線路中，一般安裝三刀開關(guān)、控制保險、控制按鈕、組合開關(guān)、萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)、熱繼電器、自動空氣開關(guān)、中間繼電器等多種電器保護(hù)元件，它們的主要作用是當(dāng)電路因誤操作出現(xiàn)瞬間大電流時，對控制器以及負(fù)載進(jìn)行保護(hù)。作為學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)平臺，出現(xiàn)誤操作或錯誤接線是不可避免的，因此保護(hù)電路的設(shè)計是實(shí)驗(yàn)平臺改造中必須重點(diǎn)考慮的問題之一。保護(hù)電路框圖如圖7所示。

圖7 運(yùn)料小車平臺保護(hù)系統(tǒng)框圖

從圖7可以看出本實(shí)驗(yàn)平臺主要有3重保護(hù)措施:1）配電柜處的空氣開關(guān)；2）高壓實(shí)驗(yàn)臺的瓷質(zhì)保險；3）PLC實(shí)驗(yàn)箱與縮比運(yùn)料小車模型之間的過熱繼電器和中間繼電器組。3處保護(hù)措施在電路中是串聯(lián)的方式，當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)操作失誤、錯誤接線等故障時，3處保護(hù)措施任意一處動作，都可以保護(hù)學(xué)生的人身安全。

3 PLC控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制

3.1 編程代替硬件電路

繼電器控制平臺是由許多真正的硬件繼電器組成的，可靠性不高且實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我?。PLC是由許多“軟繼電器”組成的，這些“繼電器”實(shí)際上是存儲器中的觸發(fā)器，可以置“0”或置“1”，使控制方式更加靈活，更有利于鍛煉學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維。

以縮比運(yùn)料小車的繼電器控制電路為例，說明繼電器控制和PLC控制之間的轉(zhuǎn)換。圖8（a）是縮比運(yùn)料小車模型控制部分的電路圖?？刂齐娐凡糠植捎秒p保險設(shè)置，交流接觸器和時間繼電器控制小車不同的運(yùn)動狀態(tài)，熱繼電器串聯(lián)在電路中，當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時會自動斷開主電路，起到保護(hù)作用。PLC控制對應(yīng)的梯形圖如圖8（b）所示，其中對應(yīng)的I/O關(guān)系是:輸入SB對應(yīng)X輸出KM對應(yīng)Y。

圖8 繼電器控制轉(zhuǎn)換為PLC控制梯形圖

由圖8可以看出，采用梯形圖可以通過適當(dāng)設(shè)置中間環(huán)節(jié)（輔助繼電器M1），使程序更加簡潔；元器件使用沒有數(shù)量限制，通斷狀態(tài)也不構(gòu)成硬件成本；設(shè)計更加靈活，更有利于對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

3.2 軟件程序代替硬件延遲

在學(xué)校的實(shí)踐周活動中，學(xué)生用時間繼電器來完成電動機(jī)的延時啟動。在這個過程中，頻繁地出現(xiàn)時間繼電器損壞的現(xiàn)象，究其原因，可能是觸點(diǎn)通過電流過大、線圈電壓過高或?qū)W生調(diào)節(jié)延遲時間旋鈕不當(dāng)?shù)纫蛩匾?。將?shí)驗(yàn)平臺改造為pLC控制可以有效解決這一問題。在PLC控制中，只需要用相應(yīng)的定時器代替時間繼電器就可以了；這是PLC的基本功能，無論哪個型號的pLC都具有時間延遲的功能。

比如運(yùn)料小車的清洗功能需要在卸料動作完成后延遲1 s啟動，這時可以選擇一個定時器線圈，一般代號為（T1、K10），其中T1說明這個線圈是定時器，計時基數(shù)是100 ms，K10是計時時間，就是可以延遲10×100 ms=1 s。當(dāng)運(yùn)料小車完成卸料動作后，線圈通電延時1 s后導(dǎo)通觸點(diǎn)，繼而運(yùn)料小車才開始清洗的動作。

4 平臺改造的價值

4.1 讓學(xué)生進(jìn)一步了解工業(yè)控制

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺把實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工業(yè)發(fā)展的需要相結(jié)合，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、解決問題能力以及探索精神的有效途徑。將實(shí)驗(yàn)室課程與工業(yè)控制有效地結(jié)合，可以讓學(xué)生提高動手能力的同時理解現(xiàn)代工業(yè)控制，更有利于培養(yǎng)社會需要的人才?？s比運(yùn)料小車模型與現(xiàn)代工業(yè)控制的對比如圖9所示。

圖9 運(yùn)料小車與生產(chǎn)線對比圖

4.2 提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的積極性

將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，提高動手能力的同時，設(shè)計了一些與工業(yè)控制、電路設(shè)計、行業(yè)發(fā)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，取得了很好的效果。

1）使學(xué)生直觀看到電路電工實(shí)驗(yàn)與技能的價值是與工程實(shí)踐緊密相連的，從而提高了學(xué)生對電路電工實(shí)驗(yàn)的積極性。

2）通過實(shí)驗(yàn)改造，學(xué)生創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)的同時也對工程實(shí)踐有了一定的認(rèn)識，為培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

3）通過組織學(xué)生開展產(chǎn)學(xué)研活動，教師和實(shí)驗(yàn)員的科研能力也得到了有效提高；同時也為實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展贏得經(jīng)費(fèi)創(chuàng)造了條件。

4.3 逐步對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造

現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室建設(shè)最主要的目標(biāo)是不斷滿足日益增加的科研需要，在經(jīng)費(fèi)難以增加的情況下，如何應(yīng)用現(xiàn)有設(shè)備或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)最大的科研價值和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力是值得深入思考的問題。此次實(shí)驗(yàn)改造項(xiàng)目對原有的電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行改造，用縮比運(yùn)料小車模型代替原有的電動機(jī)，控制電路也用更加靈活的pLC代替各種繼電器，既能更好地鍛煉學(xué)生的綜合能力，又對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造，使其更加符合學(xué)生職業(yè)發(fā)展規(guī)劃的要求。

5 結(jié)束語

隨著技術(shù)的普及、市場競爭的日趨激烈以及對學(xué)生創(chuàng)新精神培養(yǎng)的需要，PLC控制技術(shù)在工業(yè)控制與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。本次教學(xué)改造項(xiàng)目將pLC控制技術(shù)與縮比運(yùn)料小車相結(jié)合，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，既完成了控制平臺的整體提升改造，同時也使電工實(shí)驗(yàn)的傳動實(shí)驗(yàn)課程更加接近工業(yè)控制領(lǐng)域的實(shí)際需求；不僅為電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一條新的途徑，而且能大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)的興趣，為提高學(xué)生創(chuàng)新思維打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］陳波.基于虛擬仿真的pLC模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［2］林志堅(jiān)，沈萌紅.基于仿真技術(shù)的pLC模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，25（2）:178-179.

［3］張婕，李浙昆，吳濤.可編程控制器虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（9）:77-79.

［4］曾國樹，黃傳明，項(xiàng)雷軍.電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐的探討［J］.高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2009（3）:4-6.

［5］石超，薛雪，陳桂真，等.電路實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新型教學(xué)模式研究［C］//全國高等學(xué)校電子技術(shù)研究會論文集. 2010:42-44.

［6］殷華文，于兆和，馬志剛.PLC對步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2003（8）:65-67.

［7］程敏熙，趙芝孟，顏巧瑩.簡論高等學(xué)校理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001，18（2）: 186-189.

［8］葉建平，鄭萍，李建平，等.基于多模式無線控制的PLC設(shè)計與研究［J］.化工自動化及儀表，2011，38（8）:978-981.

［9］胡長新，朱洪浪，凌有鑄.工科院校構(gòu)建大學(xué)生科技創(chuàng)新活動體系研究［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2010，27（4）:99-100.

［10］趙萍萍.芻議我國高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理工作的改革與完善［J］.赤峰學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，25（3）:185-186.

［11］宋萬清，楊建國.Labview實(shí)現(xiàn)PC與PLC實(shí)時監(jiān)控［J］.制造業(yè)自動化，2005，27（4）:60-62.

［12］佘玲玲.PLC整體仿真［D］.上海:上海師范大學(xué)，2008.

［13］秦兵，何漢武，胡兆勇，等.可視化虛擬PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（1）: 131-135.

Test Platform Design of a Scaled Transporter Model Based on PLC

XU Hang，HUANG Zhongping，SHEN Ye，ZOU Tongyang
（School of Electrical and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Depending on the construction of schools PLC experimental teaching platform of the project，this paper designs and implements a set of teaching and research to meet the needs of the PLC program a scaled model test car transporter platform.The experimental platform better integrated use of soft-a combination of hardware programmable load of modern control theory，simulation techno-logy，PLC application technology，USB communications technology and industrial control and other aspects of knowledge of the principles.It laid a good foundation for the hardware and software for teaching and research，and can fully meet the students in a variety of commonly used laboratory PLC control load requirements，with important teaching and practical significance.This paper focuses on the study and discussion of the experimental system hardware and software design part of the transformation of the specific method and platform value.

programmable load；control theory；hardware and software；transformation value

TP273.5

A

2015-08-02；修改日期：2016-05-19

四川大學(xué)2015年實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改造項(xiàng)目。

徐 航（1987-），男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子技術(shù)應(yīng)用、高電壓技術(shù)方面的研究。