電氣控制與PLC技術半實物仿真實訓裝置構建

周 瑜，張文能

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

·實習與實訓·

電氣控制與PLC技術半實物仿真實訓裝置構建

周 瑜1，張文能2

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

電氣控制與PLC技術是一門實踐性很強的專業課，為了滿足其在不同應用環境下的實踐需求，設計了一個基于組態軟件的半實物仿真實訓裝置，利用該裝置，可以通過直觀、真實的界面，方便、安全地展現出PLC控制程序的執行效果，驗證其正確性。最后，以自動化生產線中供料傳輸系統為例，闡述半實物仿真實訓裝置的構建與應用。

電氣控制； 可編程邏輯控制器； 半實物仿真； 實訓裝置

0 引 言

教育部已明確提出部分普通高等院校向應用技術、職業教育類型轉變，我國許多高校以此為契機，通過教育教學改革來探索轉型內容和轉型方法[1]。我校作為新建地方本科院校，堅持以服務社會為導向，逐步形成了“立足張家港、服務長三角”的產學研社會服務體系。學校始終堅持把人才培養作為根本任務，不斷深化人才培養模式改革，培養具有可持續發展潛質、創新能力和國際化視野的綜合性應用型人才。根據這一定位和目標，結合地方企業的特點，我院電氣工程及其自動化專業主要為地方中小企業培養能夠維護、管理和改造自動化生產線的基本能力。無論是從國外引進的自動化生產線，還是自行設計的自動控制系統，普遍把可編程邏輯控制器(PLC)作為控制系統的核心器件[2]。因此，培養掌握機電一體化技術，掌握PLC 技術及PLC 網絡技術的人材是當務之急。本文就 “電氣控制與PLC技術”的教學和實踐環節進行探索與改革，設計滿足其實踐需求的半實物仿真實訓裝置。

1 課程定位與目標

企業中的工程技術人員通常有應用型、研究型和管理型3種，其中應用型，也就是在工業生產第一線從事工程設計、制造、施工、運行等技術工作，約占工程師總數的75%[3]。“電氣控制與PLC技術”是電氣工程及其自動化專業的主干專業課程之一，內容涉及工業現場電氣控制與PLC控制的理論知識和實際應用技術，是一門實踐性很強的專業課程[4]，與生產實際和工程應用結合緊密且應用廣泛，是學生走向工作崗位可能直接應用的一門專業知識。“電氣控制與PLC技術”課程教學目的是使學生熟悉電氣控制系統的基本控制電路，具有電氣控制系統分析和設計的基本能力；掌握PLC原理及編程方法，具備一定的PLC程序設計和應用能力，可以利用 PLC進行一般控制系統的設計和改造[5]，最終能勝任地方中小企業生產設備運行、維修和保養崗位,為成為應用型工程師打下基礎。

2 課程教學現狀

本課程主要講述4部分內容，分別是低壓電器基本知識(主要包括器件結構，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，接線圖以及典型機床控制線路分析)；PLC硬件知識(主要講述PLC發展，工作原理，硬件結構和存儲分配)；PLC軟件設計及應用知識(主要講述PLC指令系統和編程方法以及指令的應用)。

該課程是一門應用性很強的專業課程，針對該課程的實踐環節設計也應充分考慮應用型人才培養的大方向。目前，該課程的實踐環節主要分為課程實驗、綜合實訓、第二課堂。

2.1課程實驗

課程實驗總學時為16學時，占課程總學時的1/3左右，其中包括驗證性實驗、設計性實驗和創新型實驗。現在常用的PLC實驗室建設模式是購買某家公司的PLC硬件加上由教學儀器公司專門為PLC教學設計推出的實驗臺[6]，實驗臺主要是以發光管為控制對象的程序邏輯演示設備，使用此類實訓設備，實訓內容主要是指令學習、程序錄入以及功能演示，過于理論化，缺乏對控制系統的理解，與企業脫節。

2.2綜合實訓

從現實的學情和教情出發，研究一套可與企業實際接軌的教學和實訓方法至關重要。因此，學院實訓中心引入一套網絡型模塊化柔性自動化生產線實訓系統，該設備由供料輸送單元、搬運單元、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，綜合運用了PLC控制 、氣動驅動技術，多種傳感器，構成一個典型的自動生產線的機械平臺[7]。該設備可以模擬一個與實際生產情況十分接近的控制過程，使學習者得到一個非常接近于實際的教學設備環境，從而縮短了理論教學與實際應用之間的距離。但是，該實訓裝置價格昂貴，體積龐大，維修困難，同時受學校資金和場地的限制。同期進行綜合實訓的同學一般為40人左右，而一般的學校只會配備1至2條生產線，無法滿足所有同學的調試需求。

2.3第二課堂

第二課堂是引導學生養成良好的學習、研究習慣，讓學生之間、師生之間能夠有一個自覺交流溝通的平臺，可以促使學生創新活動常態化。學院申請成立了“全國大學生西門子杯工業自動化挑戰賽校園Campus-Hub學習中心”。學習中心集中了大量PLC學習愛好者，秉承“傳承、互助、分享”的宗旨。該學習中心是創新實踐基地的骨干力量，在學習中心里互助互學，形成傳幫帶的科研風氣，共同完成PLC相關的本科生創新訓練項目，并積極參加自動化相關的學科競賽，取得了不錯的成績。PLC的學習，需要設備進行調試，除了在學院允許的時間內，申請開放實訓平臺，大部分的實踐主要通過西門子、三菱等公司提供的PLC仿真軟件，對程序進行仿真，缺乏對于實際系統直觀的調試。

3 半實物半仿真實訓裝置

綜上所述，幾種實驗實訓方式，都有實際系統缺乏，或者價格昂貴、維護困難、難以滿足大批量同學同時實踐的困難，從而使得虛擬仿真實驗教學在高等學校的應用日益增多，它可以彌補真實裝置在實驗條件、實驗成本、交互性和安全性等方面的不足[8]，主要構建一種半實物半仿真實訓裝置。

半實物仿真，英文名稱含義：Hardware In the Loop Simulation，是指在仿真實驗系統的仿真回路中接入所研究系統的部分實物的仿真[9]，半實物仿真通常有2種情況：①用計算機作為控制器，而將受控對象作為實物直接放置在仿真回路；②控制器用實物，而受控對象使用數學模型[10]。本文采用第2種方式，以PLC為實物控制器，受控對象的建立引入組態軟件，充分利用組態軟件可以與PLC進行數據傳輸，并具有數據存儲和監測的功能的特點。

組態軟件作為專為工控開發的工具軟件，它為用戶提供了多種通用工具模塊，只要利用組態軟件包中的工具，通過硬件組態、數據組態、動畫組態等工作即可完成所需應用軟件的開發工作[11]。控制系統中，PLC也可以接收來自組態軟件中發出的信號，被控對象可以接受PLC向其發出的控制信號，而產生相應的動作，通過觀察組態界面上的動畫顯示，使用者可以直觀的檢測PLC程序的執行過程，以及整個控制系統的運行過程。

4 實訓裝置設計

4.1系統組成

利用PLC與組態軟件相結合的方法，通過組態軟件，全真模擬PLC被控目標，用軟件代替實物，即可使用有限的設備和靈活的程序來豐富實踐教學[12]。采用典型工業生產流程，結合工業現場真實設備，并借助仿真軟件全面模擬實際的生產工藝過程[13]，可以深入開展項目教學、案例教學。本系統主要包含顯示器、主機和PLC3部分,系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成

顯示器：觀察監測控制過程，檢驗PLC程序運行后的控制結果是否正確。

主機，作為上位機，安裝組態軟件，及PLC的編程軟件。組態軟件用來設計監控界面，建立數據庫并定義組態變量；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，與上位機進行通信，接受來自外部或者組態軟件的控制信號，運行用戶程序，并反饋運行結果給上位機。

本文實例采用的組態軟件是ForceControl V7.0，采用西門子S7-200系列的PLC，構建“電氣控制與PLC綜合實訓系統”，實驗內容主界面如圖2所示。在實際使用中，只需修改設備組態，就可以使該系統滿足其他PLC類型。

其中，第1部分電氣控制電路為演示系統，供用戶學習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機正反轉控制電路，按照實際操作，合上電源開關QS，按下正轉按鈕SB2，圖中KM2線圈得電變紅色，KM2觸點閉合，電動機正向運行。按下反轉按鈕SB3，圖中KM3線圈得電變紅色，KM3觸點閉合，電動機反向運行。按下停止按鈕SB1，電動機停止運行。

圖2 綜合實訓裝置主界面

圖3 三相異步電動機正反轉控制系統

第2部分為PLC電氣控制系統，包含兩個簡單的電動機控制系統，即電動機正反轉以及電動機星三角降壓啟動的PLC控制系統，圖4所示為三相異步電動機正反轉PLC控制系統。除簡單電動機控制系統之外，包含多個仿真控制系統，例如“十字路口交通燈控制系統”“機械手控制系統”“供料傳輸系統”等。下面以供料傳輸系統為例，介紹實訓裝置設計過程。

圖4 三相異步電動機正反轉PLC控制系統

4.2供料傳輸系統功能

圖5為模塊式柔性生產線實訓系統實物模型，供料傳輸系統為該系統的第一站起始單元，在整個系統中起著向系統中的其他單元提供原料的作用，其工作過程為：當供料傳輸單元的料倉工件有無傳感器檢測到料倉內有毛坯零件時，推料氣缸動作，活塞桿伸出，將毛坯零件從倉內推到傳輸帶上，傳輸帶開始運行，同時推料氣缸活塞桿返回，準備從倉內推出下一個毛坯零件。傳輸帶將毛坯零件送到其末端阻擋機構，并將毛坯零件擋住，設在阻擋機構處的工件有無傳感器檢測到有毛坯零件，發信號給機械手工作站，來搬取毛坯零件。

圖5 柔性生產線實物模型

實際供料傳輸系統，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、磁感應開關、電磁閥及PLC控制系統等組成。設置基于組態軟件的半實物仿真實訓裝置，首先完成“供料傳輸單元”應用程序的圖形描述部分工作；然后需要定義I/O 設備、創建數據庫、制作動畫連接和設置I/O 驅動程序。數據庫是應用程序的核心，動畫連接使圖形“活動”起來，I/O 驅動程序完成與硬件測控設備的數據通信。

4.3圖形界面設計

圖形界面可以利用組態軟件提供的圖庫進行設計。圖庫是系統預先建立好的組合圖形對象。組態軟件系統提供十幾個圖形庫幾百個元件，包括控制按鈕、電機、泵、開關和其他標準工業元件，設計者可以簡單地從圖庫中取出元件加到自己的應用中[14]。

供料傳輸系統圖形界面包括操作面板和控制系統，如圖6所示。操作面板包含有加料按鈕，開始按鈕、復位按鈕、手/自動旋鈕、停止按鈕、上電按鈕、急停按鈕以及各種指示燈組成。控制系統包含有料倉、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計

4.4I/O組態及數據連接

圖形界面是靜態的，要想監測PLC程序的執行過程和運行結果，產生動畫效果，必須將圖中的圖形元素跟PLC進行數據連接，如圖7所示，例如代表氣缸輸出檢測傳感器的變量qigang_out，跟已組態好的設備S7200PLC內部變量M30.0相連接，通過動畫設置，可以改變PLC內部變量M30.0。

圖7 I/O組態

4.5建立動畫連接

動畫連接是將畫面中的圖形對象與變量之間建立某種關系，當變量的值發生變化時，在畫面上圖形對象的動畫效果動態變化方式體現出來。有了變量之后就可以制作動畫連接了。一旦創建了一個圖形對象，給它加上動畫連接就相當于賦予它“生命”，使它動起來。以推料氣缸為例，PLC運算得到氣缸推出的命令，使代表氣缸的圖形位移發生改變，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，進行下一個周期的運算。

圖8 推料氣缸動作

4.6調試運行

設計完實訓系統，只需一臺PLC，以及簡單的外部設備，如圖9所示，就可以完成整個供料傳輸單元的調試工作。編寫用戶程序并寫入PLC控制器，再連接組態系統和PLC。調入組態運行畫面運行程序，組態系統首先根據變量初始值，初始化圖形界面的位置和顏色，然后跟PLC交互數據，刷新控制變量，并根據接收到的控制信號，執行相應的動作過程，同時發出控制信號，如果有結束信號，則系統運行結束，沒有則重新與PLC交互數據，程序流程圖如圖10所示。 由此，通過圖形界面，可以得到與實際系統相同的效果，驗證程序的正確性。

圖9 PLC外設

圖10 半實物仿真實訓裝置運行流程

5 結 語

電氣工程及其自動化專業，極具工程背景的專業特點，以培養“現場工程師”為教育目標[15]，要求學生不但要具備專業的理論知識和技能，還要能夠從工程問題角度出發來思考、分析問題，利用組態軟件，構建以實際工程項目為背景的虛擬對象，利用有限的實驗設備和靈活的程序來豐富實訓內容。甚至也可以讓學生自己通過企業調研，設計組態系統，既能熟練掌握PLC的使用技巧，又能加深對企業的實際工業流程的理解。基于組態軟件的電氣控制與PLC半實物半仿真實訓裝置，對實驗設備要求低、易維護、使用靈活方便。經過試用，該裝置在PLC實訓教學和學生的第二課堂學習中，發揮了重要作用。

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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

江蘇省教育科學研究院現代教育技術研究項目(2015-R-42233)；江蘇科技大學高教研究項目(GJKTY2014-12)；2016年江蘇科技大學教學方法改革示范課程

周 瑜(1984-)，女，江蘇張家港人，碩士，實驗師，主要從事工業自動控制教學與研究。

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

G 642

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1006-7167(2017)07-0230-05