在系統設計中學習PLC

張旭

（伊春職業學院 機電工程系，黑龍江 伊春 153000）

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是電氣信息類和機電類專業的主要專業課程之一，是一門知識覆蓋面廣（幾乎涉及工業控制的各個領域）、涉及內容多、既強調理論而又偏重實踐技術應用的課程，與實際生產和工程應用結合緊密，該課程的目標是讓學生掌握一門非常實用的工業控制技術以及培養和提高學生的實際應用能力和動手能力[1]。在職業院校PLC教學中，主要側重于梯形圖、語句表、順序功能圖的程序設計，忽略了PLC控制系統的整體設計，而學習PLC的最終目的就是能把它應用到實際的工業控制系統中去。設計一個高效可靠的PLC控制系統，程序設計固然重要，但它只是整個系統的一個方面，而且不是孤立存在的。只有讓學生徹底了解PLC從程序設計到組建PLC工作系統的全過程，才能真正學以致用。

在從事PLC的教學過程中，我發現在開課之初，大部分學生不十分了解PLC，甚至到期末結課時也不是很了解PLC到底能做什么或者如何應用到工業控制中去。那么，究竟如何才能真正做到有效地提高PLC的教育、教學質量呢？經過幾年的教學實踐和探索，我對以往的教學方法進行了大膽改進和創新，并取得了良好的效果[2]。

教學中首先要使學生明白PLC技術是在繼電器-接觸器控制基礎上發展起來的，但是它的控制性能更優異、可靠性更高、施工周期短、體積小、功耗低、使用維護方便。PLC完全可以代替繼電器-接觸器控制電路，并且也日漸取代繼電器-接觸器控制系統，繼電器-接觸器控制電路也完全可以由PLC來改造，這在大部分的PLC教科書中均有闡述，不再贅述。這里要強調的是在設計PLC控制系統中學習PLC，學生在系統設計中肯定會遇到各種各樣的問題，這樣就要求學生帶著問題，主動學習來解決問題，在問題的解決中提高自己。通過系統設計的實施，有利于進一步調動學生自主學習的積極性，有利于理論知識的全面理解和以系統的高度掌握PLC在所處的知識體系中的地位。

1 遠程監控十字路口交通燈系統設計

有的工業現場的控制系統不適宜現場控制，或者來不及現場控制，這樣就需要遠程監控。“監”就是監視，是在計算機上制作一個動態畫面，該畫面可以完全模擬現場設備的動作；“控”就是控制，是指通過通信網絡，在計算機上進行操控來控制現場設備的運行；“遠程”是指監視和控制生產設備的監控者并不在生產現場。Kingview組態王是北京亞控科技發展有限公司開發的一種組態軟件，它可以很容易地實現計算機與現場控制設備（例如PLC）的通信，和生成用戶需要的有動畫功能的的各種人機接口畫面，實現遠程監控[3]。

1.1 系統控制要求

用西門子S7-200PLC和組態王軟件實現對十字路口交通燈（如圖1所示，是一個十字路口交通燈控制模擬實驗板）的遠程監控，控制要求如下[4]：

圖1 交通燈控制模擬實驗板Fig．1 Simulating experimental board for controlling crossroads traffic light

1）工作人員在監控室通過起動按鈕、停止按鈕控制十字路口交通燈的開啟和關閉；

2）工作人員在十字路口交通燈現場通過起動按鈕SB1、停止按鈕SB2也可以控制十字路口交通燈的開啟和關閉；

3）開關合上之后，東西紅燈亮并保持25 s，同時南北綠燈亮，保持20 s，20 s之后，南北綠燈閃亮3次（每周期1 s）后熄滅。繼而南北黃燈亮并保持2 s后，南北黃燈滅，南北紅燈亮并保持25 s，同時東西紅燈滅，東西綠燈亮20 s，20 s之后，東西綠燈閃亮3次（每周期1 s）后熄滅。繼而東西黃燈亮并保持2 s后，東西黃燈滅，東西紅燈亮，同時南北紅燈滅，南北綠燈亮。至此完成一個循環，其控制規律與PLC輸出分配如圖2所示。

圖2 控制規律與PLC輸出分配圖Fig．2 Law of controlling and Fan-out allocation of PLC

4）要求監控畫面顯示與現場工作同步；

5）設置東西、南北方向通行標記，當東西或者南北方向通行時，相應方向上的標記或指示燈閃爍。

1.2 系統硬件設計

遠程監控十字路口交通燈系統的硬件包括十字路口交通燈控制模擬實驗板、S7-200PLC和計算機等。

本系統采用西門子S7-200PLC對實驗板上模擬十字路口交通燈進行控制。PLC通過PC/PPI通信電纜與計算機串口連接，計算機既可用于PLC梯形圖程序的寫入和調試，又可作為上位機監控。

計算機通過與PLC的通信，讀取PLC中的信息并顯示在監控畫面上，同時操作人員發出的控制信號寫到PLC中，從而控制十字路口交通燈的動作。

遠程監控十字路口交通燈的硬件連接如圖3所示[5]。

圖3 交通燈控制系統接線圖Fig．3 System circuit diagram for controlling crossroads traffic light

1.3 組態王軟件設計

交通燈控制系統的組態畫面如圖4所示，圖中4個方向上的箭頭標記即為東西、南北方向通行標記，當東西或者南北方向通行時，相應方向上的箭頭標記閃爍。通過數據詞典組態（如圖5所示）定義系統變量，然后建立數據庫變量與組態畫面圖素的動畫連接，即完成了計算機和S7-200PLC的軟件連接，從而實現組態王軟件對十字路口交通燈控制系統運行情況的動態監控[6]。

圖4 交通燈控制系統的組態畫面Fig．4 System configuration screen diagram for controlling crossroads traffic light

1.4 PLC程序設計與調試

根據控制要求及PLC的輸入輸出端子分配，可設計PLC梯形圖程序。使用STEP7-Micro/WIN軟件編程時需要注意把監控畫面起動按鈕I/O離散變量M2．0、監控畫面停止按鈕I/O 離散變量 M2．1 與 SB1、SB2 的 PLC 輸入端 I0．0、I0．1 并聯來實現現場按鈕和遠程監控按鈕的控制。其余的編程同學們可自行完成，完成后把梯形圖程序下載到PLC中，調試通過。

圖5 交通燈控制系統數據詞典組態畫面Fig．5 System configuration screen diagram of data dictionary for controlling crossroads traffic light

1.5 整體系統程序調試

檢查系統接線無誤后，接通PLC電源。然后在組態王的工程瀏覽器中單擊“VIEW”圖標，則進入組態王運行系統，屏幕顯示“十字路口交通燈控制系統”畫面。

用鼠標單擊“起動”按鈕，可以從屏幕上看到紅綠燈的運行狀態，同時與實驗板上的紅綠燈的運行狀態保持一致。用鼠標單擊“停止”按鈕，屏幕上看到紅綠燈全部熄滅，同時實驗板上的紅綠燈也全部熄滅。按下實驗板上的起動按鈕SB1、停止按鈕SB2功能同上。當東西方向綠燈亮可以通行時，可以從屏幕上看到該方向上的箭頭標記閃爍，南北方向紅燈亮禁行，通行標志（箭頭）消失，反之亦然。

如果十字路口交通燈控制系統動作以及畫面顯示的動作與控制要求不一致，則需要綜合分析問題出現的原因，區分出是PLC控制問題還是組態王設置問題，然后根據具體情況具體分析[7]。

1.6 成 效

采用小組合作的方式組織學生進行系統設計，使學生體會只學習課本上的知識是完全不夠用的，要想在未來的工作中始終立于不敗之地，不落后于日新月異的新技術、新知識，就必須堅持自主學習、努力探索。通過整體系統的全程設計，學生們增加了團隊協作觀念，對已學過的知識加深了印象，對未知的領域進行了探索，熟悉了系統設計的內容和步驟，增強了動手能力、思考和學習能力以及對系統設計的整體把握能力，有利于培養學生的學習興趣和樹立學生終身學習的理念。

2 結 論

學生在進行系統設計時，一方面最大程度地調動了自主學習的積極性，另一方面又有利于對知識的全面理解和掌握。在設計中發現問題，解決問題，真正調動主觀能動性，使學生形成良好的學習狀態。在系統設計中運用理論知識，并在設計中拓展已有的理論知識，為日后的就業做好充分的知識和技能的儲備。實踐證明：在PLC教學中，堅持強調在系統設計中學習PLC，能夠使學生真正學懂PLC。

[1]袁道香．PLC課程教學改革初探[J]．無錫南洋學院學報，2008，12（4）：15-18．

YUAN Dao-xiang．A preliminary study on PLC teaching reform[J]．Journal ofWuxi South Ocean College，2008，12（4）：15-18．

[2]許碧榮．電子專業PLC實驗的教學改革與實踐[J]．電子科技，2010（12）：112-113．

XU Bi-rong．The teaching reform and practice of PLC experiment for the electronic specialty[J]．Electronic Science and Technology，2010（12）：112-113．

[3]王淑紅，魏建生．組態軟件控制技術及應用[M]．中國電力出版社，2011．

[4]杜從商．PLC編程應用基礎 （西門子）[M]．機械工業出版社，2010．

[5]廖常初．PLC編程及應用[M]．3版．機械工業出版社，2010．

[6]汪德彪，郝蕓．計算機控制技術[M]．北京師范大學出版社，2010．

[7]姜建芳．西門子S7-200PLC工程應用技術教程[M]．機械工業出版社，2010．