新工科背景下獨(dú)立學(xué)院PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)典型案例研究

田輝輝，張興達(dá)，劉倩，朱紹偉

（濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，山東煙臺(tái)，265600）

0 引言

隨著國家《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》文件的形成，新工科教育提出戰(zhàn)略性的要求發(fā)展培養(yǎng)“五個(gè)新”人才，結(jié)合獨(dú)立學(xué)院的特點(diǎn)，旨在服務(wù)社會(huì)，培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才，我校機(jī)械和電氣專業(yè)緊隨國家發(fā)展，調(diào)整專業(yè)培養(yǎng)方案，許多課程進(jìn)行了調(diào)整設(shè)計(jì)，其中《電氣與PLC控制技術(shù)》、《電氣控制技術(shù)》、《可編程控制器》課程在理論授課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，由于目前工程實(shí)際中的工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場，不再只是簡單地人工操作，而是控制機(jī)構(gòu)與工業(yè)計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)交互來完成整體生產(chǎn)任務(wù)，因此我們在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)摒棄單純使用PLC而是設(shè)計(jì)出一套基于PLC與組態(tài)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，讓學(xué)生們能夠更加直觀地學(xué)習(xí)和感受工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場情況。為學(xué)生們能夠更近距離的接觸生產(chǎn)實(shí)際要求提供條件。教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為多個(gè)模塊項(xiàng)目由簡單到復(fù)雜，使學(xué)生們能夠逐步掌握并進(jìn)階高難度學(xué)習(xí)。下面將以典型案例項(xiàng)目—基于PLC與組態(tài)的十字路口交通燈為例進(jìn)行簡單的介紹。

1 十字路口交通燈系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)主要包括上位機(jī)組態(tài)屏監(jiān)控端、PLC模塊、手動(dòng)控制模塊和十字路口交通燈實(shí)際現(xiàn)場端，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。組態(tài)觸摸屏端完成遠(yuǎn)端十字路口交通燈的實(shí)際情況實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制功能，使工作人員不在現(xiàn)場也能看到實(shí)況，并且能夠進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，及時(shí)解決現(xiàn)場問題；PLC端根據(jù)程序完成交通燈系統(tǒng)的整體運(yùn)行，并可通過手動(dòng)控制端對現(xiàn)場交通燈運(yùn)行情況進(jìn)行控制。

圖1 基于PLC與觸摸屏的十字路口交通燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PLC端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC端采用西門子S7-200 CPU224進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括硬件電路和軟件功能編程兩個(gè)方面。下面給出了基于PLC與觸摸屏的十字路口交通燈監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求。

首先，該系統(tǒng)要求應(yīng)該具有控制交通燈啟動(dòng)和停止的按鈕；然后，白天模式，模擬正常某十字路口交通燈的循環(huán)模式，當(dāng)按下啟動(dòng)控制按鈕后，交通信號(hào)燈的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換按照以下所示進(jìn)行（其中R代表紅燈，G代表綠燈，Y代表黃燈）：整個(gè)過程模擬時(shí)間為60秒的循環(huán)運(yùn)行，前30秒內(nèi)，東西方向上的R點(diǎn)亮30秒，在R點(diǎn)亮的30秒內(nèi)，南北方向上的G先是亮燈25秒，然后再按秒進(jìn)行閃爍3次共計(jì)3秒后熄滅，然后南北方向上的Y點(diǎn)亮2秒后熄滅，到達(dá)30秒后的東西方向R熄滅，緊接著的后30秒，東西方向上的G先是亮燈25秒再按秒進(jìn)行閃爍3次共計(jì)3秒后熄滅，然后東西方向上的Y亮2秒后熄滅，與此同時(shí)的這30秒內(nèi)南北方向的R一直處于點(diǎn)亮狀態(tài)，這便是一個(gè)周期。完成一個(gè)周期后，交通信號(hào)燈監(jiān)控系統(tǒng)便依次循環(huán)上述過程。當(dāng)按下停止控制按鈕后，所有亮著的燈同時(shí)熄滅。夜間模式：基于生活中常見夜間模式為前提，將該模式設(shè)置為—黃燈按秒進(jìn)行閃爍點(diǎn)亮顯示。

根據(jù)控制要求，確定PLC端控制接線情況，其硬件控制接線圖如圖2所示，該部分完成交通燈與PLC的系統(tǒng)搭建，形成下位機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為交通燈運(yùn)行構(gòu)建平臺(tái)。交通燈系統(tǒng)的I/O分配情況為，PLC輸入端：I0.0啟動(dòng)控制端，I0.1停止控制端；PLC輸出端：Q0.0指示南北方向綠燈，Q0.1指示南北方向黃燈，Q0.2指示南北方向紅燈，Q0.3指示東西方向綠燈，Q0.4指示東西方向黃燈，Q0.5指示東西方向紅燈。

系統(tǒng)控制要求、I/O分配及硬件接線確定之后，就開始著手軟件設(shè)計(jì)。軟件部分，PLC端程序通過STEP7-Micro/WIN軟件結(jié)合控制要求和I/O分配進(jìn)行設(shè)計(jì)，并加入M區(qū)的使用為使用組態(tài)屏做好準(zhǔn)備。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)老師的指導(dǎo)能夠自主進(jìn)行程序的編寫設(shè)計(jì)并進(jìn)行硬件的連接搭建，并鼓勵(lì)學(xué)生們在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的自我開發(fā)優(yōu)化等操作，以此培養(yǎng)自主設(shè)計(jì)能力。

圖2 十字路口交通燈PLC端控制接線圖

3 組態(tài)觸摸屏端設(shè)計(jì)

組態(tài)（Configuration），是用軟件中提供的工具、方法，搭建構(gòu)造完成工程中某一具體任務(wù)的過程。與硬件生產(chǎn)相比，組態(tài)有更大的自由靈活度。通過搭建設(shè)置組態(tài)相關(guān)原件模塊可以完成虛擬實(shí)物情景，通過與PLC等設(shè)備相結(jié)合，設(shè)置數(shù)據(jù)通道，對M區(qū)進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)然前提是在PLC端程序也要進(jìn)行組態(tài)區(qū)設(shè)置連接，才能實(shí)現(xiàn)觸摸屏端運(yùn)用組態(tài)實(shí)時(shí)采集顯示現(xiàn)場情況，并完成對實(shí)際遠(yuǎn)端現(xiàn)場的操控。

交通燈系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)包括界面的構(gòu)建，元部件按鈕屬性等的設(shè)置，數(shù)據(jù)通道的連接，相應(yīng)動(dòng)畫的編輯等。通過組態(tài)觸摸屏能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視查看十字路口交通燈的情況，并可以進(jìn)行控制。圖3給出了一個(gè)簡單監(jiān)控界面。圖4給出了部分動(dòng)畫設(shè)置程序截圖，在實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生們不僅能夠在PLC端看到和控制交通燈，更能夠通過設(shè)置組態(tài)來模擬遠(yuǎn)端進(jìn)行監(jiān)控，類似于工廠自動(dòng)化操作觸控一體化監(jiān)控情境，這樣能夠更好地讓學(xué)生感受工業(yè)現(xiàn)實(shí)，提高他們的工程意識(shí)，讓他們領(lǐng)悟到學(xué)習(xí)PLC不僅僅要對PLC的軟硬件環(huán)境進(jìn)行掌握研究，同樣更要貼近工業(yè)現(xiàn)實(shí)，結(jié)合組態(tài)觸摸屏一起學(xué)習(xí)，以期達(dá)到綜合素質(zhì)的提升。

圖3 十字路口交通燈簡單組態(tài)監(jiān)控界面

圖4 十字路口交通燈監(jiān)控運(yùn)行模擬動(dòng)畫部分編程界面

4 系統(tǒng)綜合通信測試

通過PC/PPI電纜線將在計(jì)算機(jī)STEP7-Micro/WIN軟件中編輯的程序下載到PLC，通過USB線將計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件中編輯的組態(tài)監(jiān)控界面下載觸摸屏，將PLC與屏相連，連接好交通燈外部硬件接線，開啟監(jiān)控，分別在屏端和通過現(xiàn)場按鈕啟動(dòng)交通燈系統(tǒng)，觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況，然后經(jīng)過一段時(shí)間，分別在屏端和通過現(xiàn)場測試停止按鈕。經(jīng)過測試系統(tǒng)運(yùn)行良好。

運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，大多數(shù)學(xué)生能夠獲得很好的學(xué)習(xí)效果，在最終的考核中學(xué)生動(dòng)手能力和對基礎(chǔ)編程有了更加直觀認(rèn)識(shí)和體會(huì)，因此教學(xué)取得良好效果。

5 總結(jié)

本文通過十字路口交通燈實(shí)例講解，體現(xiàn)出在教學(xué)中通過開發(fā)的教學(xué)系統(tǒng)將觸控一體化的思想融入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中去。運(yùn)用PLC與組態(tài)一體化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)研究，讓學(xué)生們在校期間能夠接觸到現(xiàn)實(shí)工程控制中的設(shè)計(jì)思想，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，使他們能夠接觸目前實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)的“模型”，為更好地培育新工科人才，結(jié)合智能化工程新型人才培養(yǎng)要求提供了很好的方式方法示范，也為培養(yǎng)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生應(yīng)用型人才要求給出了簡單案例示教，使學(xué)生們將能夠更加順利的與社會(huì)接軌，完成身份的轉(zhuǎn)變，更好的服務(wù)社會(huì)，承擔(dān)起創(chuàng)建新型社會(huì)的責(zé)任。

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究.2017,(2)：1-6.

[2]尹晶,張晶,喬良等.獨(dú)立學(xué)院創(chuàng)新能力培養(yǎng)探究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35(7)：190-193.

[3]田輝輝,王熙,林二東.CAN總線在大豆精播機(jī)播種監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究. 2015,52(1)：223-227.

[4]胡金山,王熙.基于PLC、MCGS組態(tài)技術(shù)的北方寒地溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(10)： 510-512.