Visual Graph動畫在“電氣控制與PLC技術”教學中的應用

翁國慶

（浙江工業大學信息工程學院 浙江 杭州 310023）

“電氣控制與PLC技術”是電氣、自動化、機電類相關專業的一門重要專業課程，其最大特點是應用性、實踐性強，理論和實踐結合得特別緊密，對于學生創新實踐的“新工科”思維和能力的培養作用非常突出[1]。但是，目前高校在該課程的教學環節中，普遍存在教學資源形式單一、交互性差、學生興趣不高、教學效率低下等問題。特別是在該課程的常規低壓電器工作原理、電氣控制線路設計等教學內容學習時，由于課堂教學資源、教學時間、教學對象特性所限，僅靠教師播放靜態的PPT材料以及教師抽象講授，將嚴重影響學生的理解和掌握。如何讓課堂“動”起來，讓學生理解“易”起來，顯得愈加重要和迫在眉睫。

將多媒體技術恰當地應用于教學中，可使教學內容豐富多彩，形象直觀，讓那些原本枯燥無味的知識變得富有趣味性，使學生產生極大的好奇心[2]。動畫輔助教學是近年來出現的新型展示技術，具有直觀性好、交互性強等優點[3]。同時，動畫輔助教學屬于開放式網絡教育形式，不受時間、空間限制[4]。教學實踐表明，該教學模式可極大地提高教學效率和教學效果[5]。

本文針對“電氣控制與PLC技術”的常規電氣控制部分教學內容，提出一種基于Visual Graph圖形集成開發環境的教學動畫設計方案。內容包括Visual Graph軟件特點和開發環境的介紹、本課程對于演示動畫的需求分析和項目規劃，以及基于Visual Graph的演示動畫設計案例實施。

1 Visual Graph軟件的特點和開發環境

Visual Graph是北京圖王公司開發的一套強大的交互圖形開發平臺，能夠非常方便地建造基于圖形的界面、制作各種圖形元件、實現圖形管理、圖形建模、制作監控系統、表單系統、繪圖系統、流程設計、CAD軟件等。其提供功能強大的ActiveX組件，和其他流行的編程語言共同工作，彌補這些語言在圖形處理方面的不足，也可以嵌入IE瀏覽器中，實現網上圖形編輯和控制等。Visual Graph圖形集成開發環境如圖1所示（p117）。

Visual Graph專門處理交互圖形，提供豐富規范的交互事件和圖形控制命令，內置結構簡單開放的腳本語言，可以實現工業上幾乎任何可以動作的儀器儀表，例如刀閘、開關、儀表盤、氣溫計、氣缸、各種液位罐、煤礦用傳送皮帶、風機、LED顯示、滑塊、各種信號燈、各種異形按鈕、棒圖、餅圖、曲線圖等等。因此，在工業自動化監控、仿真、電力、煤炭、化工等方面應用非常廣泛。

2 課程演示動畫的需求分析規劃

本課程教授內容中，主要包含基于繼電接觸傳統的電氣控制線路設計，以及基于可編程序控制器（PLC）的現代電氣控制設計。而熟悉接觸器、繼電器、開關電器、主令電器、熔斷器、執行電器和信號電器等常用電壓電器的工作原理，是學習和掌握它們的共同基礎要求。

在了解電氣控制線路的符號及繪制原則基礎上，可以進一步開展三相籠型異步電動機的基本控制線路，以及更高級的功能控制線路學習。基本控制線路包括電動機基本起保停控制、點動控制、多點控制、正反轉控制、順序起停控制、自動循環控制等；功能控制線路包括降壓啟動控制、制動控制、調速控制等。

該部分課程內容的傳統授課方式以教師講授為主，由于資源所限、時間所限、對象特性所限，課程所涉及的常用低壓電器結構組成及工作原理，以及上述各種電氣控制電路的具體工作過程，僅靠教師靜態PPT材料以及教師的抽象講授，嚴重影響學生對于該部分教學內容的理解和掌握。而利用動畫教學法，學生可以非常形象直觀地感知其復雜的結構、工作原理和過程，課堂因“動”而變得精彩。表1所列為筆者基于該部分教學內容，根據其難易度和典型性，精心挑選的部分低壓電器和電氣控制線路，基于Visual Graph軟件進行了動畫設計和教學資源開發的內容。

表1 基于Visual Graph的常用電氣控制線路演示動畫列表

3 基于Visual Graph的演示動畫設計案例

3.1 案例1：電動機的Y-轉換降壓啟動控制電路

電動機Y-轉換降壓啟動控制電路的基本工作原理為：在電機MA通電后其轉速從0上升至額定轉速的起動期間，MA三相繞組先按照Y（星）型接法通電；其轉速升至額定轉速后的正常運行期間，控制電路將其三相繞組通電方式自動切換至（三角）型接法；根據三相異步電動機的工作特性，其采用Y（星）型接法時的擾動電流僅為采用（三角）型接法時的1/3，可有效解決大容量（或重載）電機的啟動電流過大，影響系統安全的問題。

為達到將該控制電路工作原理及工作過程形象直觀表現的教學效果，在基于Visual Graph圖形集成開發環境設計的電路動畫設計過程中，將整個原理圖分為主電路（左下部分）和控制電路（右下部分），并在上方醒目地布置了用于操作的按鈕及指示燈顯示模塊。其中，主電路和控制電路部分，各器件圖形和文字符號基本與教材中相關內容對應一致。但在動畫設計過程中，需要重點考慮以下幾點動畫要求：

要求1：各觸點的“開”“合”狀態可隨著控制邏輯推進而自動切換，并直觀顯示。

要求2：各線路可根據其通電與否的狀態實現“動態著色”，并直觀顯示。

要求3：時間繼電器（KF）元件線圈，可根據定時時間推進而采用動態進度條及數字比例，直觀顯示定時時間。

要求4：三相異步電機（MA）元件，可根據其“通電”“斷電”以及運行速度狀態量，動態改變其“靜”與“動”的運行狀態。

要求5：為增強人機交互特性，采用布置合適元件及圖形，合適設計包括“上電開關”“起動按鈕”“停止按鈕”“過載信號”，以及關鍵運行狀態指示燈。

運行所設計的Y-△轉換降壓啟動控制電路動畫軟件后，系統彈跳出動畫運行窗口，如圖2所示。該動畫軟件可按以下步驟形象展示電路工作過程：

步驟1：拉上操作臺“上電開關”，其顏色由紅變綠，主電路中開關QA△合上，系統上電準備。

步驟2：按下操作臺“起動”按鈕：運行指示燈、啟動過程燈顏色均由暗變亮，控制電路中SF2按鈕觸點合上，電路中接觸器QA1和QAY的所有觸點動作，電機MA按Y（星）型接法起動運行，并開始時間繼電器KF的計時（計時時間按MA的實際啟動時長設定）；相應通電線路，其顏色均由黑變紅。

步驟3：KF定時時間到（進度表及百分比數字均明顯顯示），其延時觸點動作，先斷開接觸器QAY主觸點，同時合上接觸器QA主觸點，電機MA繞組由Y（星）型接法自動切換為△（三角）型接法；啟動過程燈顏色由亮變暗，表示電機起動過程結束，電機進入全壓正常運行狀態。

步驟4：運行過程中的任何時候，若在操作臺上按下“停止”或“過載”按鈕，控制電路中對應的SF1或BB常閉觸點將打開，控制電路中元件線圈均失電、主電路中所有觸點（除開關QA0）均打開，電機停止運行（見圖2）。

3.2 案例2：小車自動循環運行控制電路

小車自動循環運行控制電路的基本工作原理為：在小車直線運行的始末兩端分別布置行程開關BG1和BG2，小車初始狀態為靜止停靠在中間；通過按鈕控制，小車可正向啟動（先往左運行），也可反向啟動（先往右運行），運行至終端碰觸到相應行程開關后，都需要自動返回運行，直至運行至反方向終端；如此自動往返循環運行，直至按下停止按鈕或者出現過載，小車立即就地停止。

為達到將該控制電路工作原理及工作過程形象直觀展現的教學效果，基于Visual Graph圖形集成開發環境設計電路動畫過程中，采用的基本思路、布局方式以及基本要求與案例1基本相似，需要重點考慮以下幾點：

要求1：各觸點的“開”“合”狀態可隨著控制邏輯推進而自動切換，并直觀顯示。

要求2：各線路的可根據其通電與否的狀態實現“動態著色”，并直觀顯示。

要求3：涉及位置控制，在動畫設計時需要清晰顯示行程開關布置位置信息，并通過百分比進度條形式展示小車往相應方向運行的進度（中點時為50%，到達終端時為0%，期間百分比數字線性變化）。

要求4：三相異步電機（MA）元件，可根據其“通電”“斷電”以及運行方向（正轉、反轉），動態改變其“靜”與“動”的運行狀態。

要求5：為增強人機交互特性，采用布置合適元件及圖形，合適設計包括“上電開關”“停止按鈕”“過載信號”；循環運行要求電機具有正反轉功能，在主電路、控制電路中，都必須配套設計實現正反轉的觸點電路，且其控制必須符合互鎖要求；操作臺設計中，也需要分別設計“正向起動”“反向起動”按鈕和對應運行指示燈。

運行所設計的小車自動循環運行控制電路動畫軟件后，系統彈出動畫運行窗口，如圖3所示。該動畫軟件可按以下步驟形象展示電路工作過程：

步驟1：拉上操作臺“上電開關”，其顏色由紅變綠，主電路中開關QA0合上，系統上電準備；行程開關百分比進度條顯示50%，表示小車初始狀態靜止停靠于中點。

步驟2：按下操作臺“正向起動”按鈕：相應運行指示燈由暗變亮，控制電路中SF2按鈕觸點合上，電路中接觸器QA1所有觸點動作，電機MA正向（順時針）起動運行；相應通電線路，其顏色均由黑變紅；動畫圖中右上部分的行程開關百分比進度條顯示數據將由原50%線性變小，直至降至0%，表示小車運行至最左端，碰觸到行程開關BG1。

步驟3：控制電路中QA1控制回路中的BG1常閉觸點將動態打開，自動將接觸器線圈QA1斷電（線圈填充顏色由紅色變為黑色），主電路中QA1主觸點動態打開，電機MA停止正向轉動；同時，控制電路中QA2控制回路中的BG1常開觸點將動態閉合，自動將接觸器線圈QA2通電（線圈填充顏色由黑色變為紅色），主電路中QA2主觸點動態閉合，電機MA開始反向（逆時針）轉動。

步驟4：動畫圖中右上部分的行程開關百分比進度條顯示數據將由最左端的0%線性變大，直至增至100%，表示小車勻速反向運行至最右端，碰觸到行程開關BG2。

步驟5：同理，控制電路中QA2控制回路中的BG2常閉觸點將動態打開，自動將接觸器線圈QA2斷電（線圈填充顏色由紅色變為黑色），主電路中QA2主觸點動態打開，電機MA停止反向轉動；同時，控制電路中QA1控制回路中的BG2常開觸點將動態閉合，自動將接觸器線圈QA1通電（線圈填充顏色由黑色變為紅色），主電路中QA1主觸點動態閉合，電機MA開始正向轉動。

步驟6：動畫圖中右上部分的行程開關百分比進度條顯示數據將由最右端的0%線性變大，直至增至100%，表示小車勻速正向運行至最左端，碰觸到行程開關BG1；如此自動反復循環。

步驟7：運行過程中的任何時候，若在操作臺上按下“停止”或“過載”按鈕，控制電路中對應的SF1或BB常閉觸點將打開，控制電路中元件線圈均失電、主電路中所有觸點（除開關QA0）均打開，電機停止運行。

以上步驟需要說明的是：①若首次按下的是“反向起動”按鈕，則整個過程原理一樣，過程動作方向的順序相反；②控制電路中，接觸器QA1和QA2動畫顯示中，必須完全符合其互鎖要求；③控制電路中，BG1和BG2均為聯動開關，動畫“開合”動態切換需要同步進行。

4 結論

“電氣控制與PLC技術”課程對于培養和提升相關專業學生的理論結合實際、動手實踐能力作用顯著，但由于諸多條件受限，對于復雜器件和控制電路的課堂教學中往往效果不佳。本文提出了一種基于Visual Graph圖形集成開發環境的動畫設計方案，重點介紹了Visual Graph軟件特點和開發環境、本課程對于演示動畫的需求分析和項目規劃，以及基于Visual Graph的演示動畫設計案例實施。通過多個學期的教學實施，基于該動畫教學法的課堂教學效果明顯，有效調動了學生的積極性，使抽象的教學內容變得足夠形象生動，顯著增強了學生對課程理論知識與實際應用結合的能力，學生動手實踐和電氣控制領域復雜工程問題的解決能力得到很大提升。