可編程序控制器可視化教學系統(tǒng)設(shè)計

王宗濤 李修強 韓廷選

（天津理工大學海運學院，天津 300384）

0 引言

可編程控制器技術(shù)是一門在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且實踐性很強的課程，必須在掌握基本理論后，才能安全高效地進行實驗和實踐。如果能夠設(shè)計一套可視化教學系統(tǒng)，就可以推動可編程序控制器技術(shù)在教學和實踐2個方面的發(fā)展。可視化教學設(shè)計的目的就是為了簡潔、明了地傳遞信息。將信息化手段應(yīng)用于教學中，是擺在高校教師面前的一個重要任務(wù)[1-2]。目前這方面的研究多側(cè)重于提高實驗裝置的性能或者采用虛擬仿真和動畫的方式進行教學[3-5]。這些研究都未能將課堂教學與具體的實際控制進行有機結(jié)合。

結(jié)合可編程序控制器課程的相關(guān)內(nèi)容，該研究開發(fā)的可編程序控制器可視化教學系統(tǒng)既符合實際的工業(yè)控制情況，又能和實際的設(shè)備進行聯(lián)機控制，并且可以靈活地應(yīng)用于課堂教學和實驗教學。可編程序控制器可視化教學系統(tǒng)將機電控制系統(tǒng)、可編程序控制器的程序和實際控制的操作按鈕組合在一起。其中，機電控制系統(tǒng)采用虛擬電路的方式，可以動態(tài)觀察接觸器觸點的狀態(tài)以及電動機的運行情況；采用在線監(jiān)視的模式來觀察程序的運行情況。操作按鈕可以供操作者進行現(xiàn)場操作，操作者在操作的同時，可以實時觀察程序的狀態(tài)、接觸器的動作和電動機的運行，可以完整地把握控制系統(tǒng)的運行機理。該研究所開發(fā)的可編程序控制器可視化教學系統(tǒng)具有3個優(yōu)點：1）系統(tǒng)采用純軟件設(shè)計，確保了課堂教學的安全和高效。2）該系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設(shè)計，能夠連接實際的可編程序控制器裝置，并且可以靈活地應(yīng)用于課堂教學和實驗教學。3）該系統(tǒng)完整的展示了控制系統(tǒng)的運行機理，可以增強學生的動手實踐能力。

1 可視化教學系統(tǒng)設(shè)計

1.1 可視化教學系統(tǒng)主界面設(shè)計

如圖1所示，可視化教學系統(tǒng)主界面設(shè)置了8個演示模塊：循環(huán)掃描過程、啟停控制演示、模擬量演示、延時啟動演示、正反轉(zhuǎn)演示、星三角啟動、定時器擴展以及車位管理系統(tǒng)，另外還設(shè)計了1個系統(tǒng)簡介按鈕。該文對部分模塊的操作進行說明，單擊對應(yīng)的按鈕，即可進入相應(yīng)的演示模塊。

圖1 可視化教學系統(tǒng)主界面

1.2 循環(huán)掃描過程模塊

如圖2所示，循環(huán)掃描過程界面中I0.0、I0.1、I0.2等是可編程序控制器的觸點，Q0.0、Q4.0等是可編程序控制器的線圈，KM是控制電動機運行的接觸器。可編程序控制器采用循環(huán)掃描機制，包括輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段。該模塊結(jié)合啟停控制電路程序，展示了可編程序控制器的運行機理。學生可以用講臺的電腦進行現(xiàn)場操作演示，這樣既能動手操作又能動態(tài)看到程序運行的全過程。

圖2 循環(huán)掃描過程界面

1.3 啟停控制演示模塊

如圖3所示，啟停控制演示界面中FR為熱繼電器，該模塊將電動機、可編程序控制器程序接線、梯形圖進行了有機的整合。通過該模塊，可以在課堂進行啟動和停止的操作。該模塊組合了動力線路和控制線路的接線方式，完整地展示了可編程序控制器系統(tǒng)的設(shè)計思路。學生們在課堂上可以動手實驗，近乎真實地體驗到按下啟動按鈕后電動機的啟動和運行過程。啟動按鈕按下時，觸點I0.0對應(yīng)的Led指示燈點亮，監(jiān)控程序也進行了相應(yīng)的動作；線圈Q0.0通電，接觸器KM通電，對應(yīng)的主觸點接通主電路，從而電動機啟動和運行起來。

此外，該模塊還增加了過載測試功能，按下該按鈕，對應(yīng)的觸點I0.2接通，程序?qū)?yīng)的常閉觸點斷開，從而切斷Q0.0，KM失電，對應(yīng)的主觸點斷開，電動機停止運行，此時是無法啟動電動機的，從而實現(xiàn)了電動機的過載保護功能。

圖3 啟停控制演示界面

1.4 延時啟動演示模塊

如圖4所示，延時啟動演示界面將電動機、可編程序控制器程序接線和定時器指令進行了有機整合。該模塊在啟停控制演示模塊基礎(chǔ)上增加了定時器指令，當觸點I0.0對應(yīng)的按鈕按下，觸點M0.0通電，定時器T37開始通電工作，計時時間到，觸點Q0.0通電，線圈KM通電啟動電動機。該模塊真實地再現(xiàn)了實驗現(xiàn)場，幫助同學深刻領(lǐng)會定時器的使用方法。

圖4 延時啟動演示界面

1.5 星三角啟動控制演示模塊

如圖5所示，星三角啟動控制演示界面中KM1、KM2和KM3是控制電動機運行的接觸器。該模塊在啟停控制演示模塊基礎(chǔ)上，增加了星三角啟動功能，可以防止電動機三角形遇到直接啟動時的大電流，減少了對電網(wǎng)的沖擊。該模塊將星三角接線啟動的主電路接線、可編程序控制器控制線路和星三角啟動控制梯形圖進行了有機整合。在課堂上可以邀請學生進行現(xiàn)場操作，親自體會啟動過程中的細節(jié)，并通過程序監(jiān)控功能，分析定時器的工作過程，從而深入體會星三角啟動的控制思想。

1.6 定時器擴展演示模塊

如圖6所示，定時器擴展演示界面在延時啟動演示模塊的基礎(chǔ)上，將定時器和計數(shù)器的綜合應(yīng)用進行整合。定時器T37延時時間到，接通計數(shù)器C1 1次，計數(shù)增加1，同時T37復(fù)位。通過電動機啟停控制、定時器和計數(shù)器指令的綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了定時器擴展功能的練習。

1.7 車位管理系統(tǒng)控制演示模塊

如圖7所示，車位管理系統(tǒng)控制演示界面以車位管理為例，將加1、減1和比較指令進行了有機整合，學生在課堂中可以實時動態(tài)體會這些指令的運行過程。觸點I0.0對應(yīng)的按鈕接通，加1指令運行，VW0的數(shù)值自動加1。觸點I0.1對應(yīng)的按鈕接通，減1指令運行，VW0的數(shù)值自動減1。VW0的值<10，線圈Q0.1通電，系統(tǒng)指示有車位，VW0的值=10，系統(tǒng)指示沒有車位。該模塊完整展示了車位管理系統(tǒng)的運行機理，將現(xiàn)場操作、程序運行機理和應(yīng)用案例進行了有機整合。

2 可視化教學教學系統(tǒng)的應(yīng)用

準備1個實驗需要相當長的時間，一方面學生需要大量學習實驗基本知識和編程基礎(chǔ)，另一方面還需要對實驗內(nèi)容進行深入的研究和討論；如果只是在課堂上討論，往往難以看到完整的實驗系統(tǒng)；如果理論準備不足，就需要實驗人員全程不遺余力地講解相關(guān)知識，既增加了實驗人員的勞動強度，又會導致實驗效果不好。

可編程序控制器可視化教學系統(tǒng)，既能在課堂上安排基本知識的講解，又能將整個實驗過程真實再現(xiàn)，既有利于理論教學的開展，又有利于實驗教學的實施。圖8為可視化教學系統(tǒng)應(yīng)用思路，該可視化教學系統(tǒng)的應(yīng)用分為3個部分進行。首先安排課前預(yù)習環(huán)節(jié)，幫助學生了解編程基礎(chǔ)、控制目標和接線方式。其次安排課堂講授環(huán)節(jié)，教師可以講解需求分析，調(diào)用可視化教學系統(tǒng)；學生可以動手實踐操作、討論和總結(jié)。最后安排課后復(fù)習環(huán)節(jié)，學生可以學習可視化教學講義，結(jié)合課堂中的討論，進一步鞏固理論基礎(chǔ)。這3個環(huán)節(jié)是1個有機的整體，可以為下一步的實驗和實踐應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

可編程序控制器可視化教學系統(tǒng)，將機電控制系統(tǒng)的相關(guān)器件、可編程序控制器的程序和操作按鈕進行了有機整合，通過按鈕的操作可以體會到系統(tǒng)的運行機理，可視化效果良好，提高了課堂教學的效果，有利于培養(yǎng)學生的動手實踐能力。該系統(tǒng)采用組態(tài)軟件開發(fā)，符合實際的工業(yè)控制情況，緊密地貼近實踐應(yīng)用。該系統(tǒng)全方位考慮了可編程序控制器的控制接線、主電路接線、程序運行監(jiān)控和現(xiàn)場操作等因素，能幫助學生全面地把握整個系統(tǒng)的運行機理。

圖5 星三角啟動控制演示界面

圖6 定時器擴展演示界面

圖7 車位管理系統(tǒng)控制演示界面

圖8 可視化教學系統(tǒng)應(yīng)用思路