在系統(tǒng)設(shè)計中學習PLC

張旭

（伊春職業(yè)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(yè)的主要專業(yè)課程之一，是一門知識覆蓋面廣（幾乎涉及工業(yè)控制的各個領(lǐng)域）、涉及內(nèi)容多、既強調(diào)理論而又偏重實踐技術(shù)應用的課程，與實際生產(chǎn)和工程應用結(jié)合緊密，該課程的目標是讓學生掌握一門非常實用的工業(yè)控制技術(shù)以及培養(yǎng)和提高學生的實際應用能力和動手能力[1]。在職業(yè)院校PLC教學中，主要側(cè)重于梯形圖、語句表、順序功能圖的程序設(shè)計，忽略了PLC控制系統(tǒng)的整體設(shè)計，而學習PLC的最終目的就是能把它應用到實際的工業(yè)控制系統(tǒng)中去。設(shè)計一個高效可靠的PLC控制系統(tǒng)，程序設(shè)計固然重要，但它只是整個系統(tǒng)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(shè)計到組建PLC工作系統(tǒng)的全過程，才能真正學以致用。

在從事PLC的教學過程中，我發(fā)現(xiàn)在開課之初，大部分學生不十分了解PLC，甚至到期末結(jié)課時也不是很了解PLC到底能做什么或者如何應用到工業(yè)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(zhì)量呢？經(jīng)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(chuàng)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(shù)是在繼電器-接觸器控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但是它的控制性能更優(yōu)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(tǒng)，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(diào)的是在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)中學習PLC，學生在系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)計的實施，有利于進一步調(diào)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(tǒng)的高度掌握PLC在所處的知識體系中的地位。

1 遠程監(jiān)控十字路口交通燈系統(tǒng)設(shè)計

有的工業(yè)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)不適宜現(xiàn)場控制，或者來不及現(xiàn)場控制，這樣就需要遠程監(jiān)控。“監(jiān)”就是監(jiān)視，是在計算機上制作一個動態(tài)畫面，該畫面可以完全模擬現(xiàn)場設(shè)備的動作；“控”就是控制，是指通過通信網(wǎng)絡(luò)，在計算機上進行操控來控制現(xiàn)場設(shè)備的運行；“遠程”是指監(jiān)視和控制生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控者并不在生產(chǎn)現(xiàn)場。Kingview組態(tài)王是北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的一種組態(tài)軟件，它可以很容易地實現(xiàn)計算機與現(xiàn)場控制設(shè)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(xiàn)遠程監(jiān)控[3]。

1.1 系統(tǒng)控制要求

用西門子S7-200PLC和組態(tài)王軟件實現(xiàn)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(jiān)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(jiān)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(guān)閉；

2）工作人員在十字路口交通燈現(xiàn)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(guān)閉；

3）開關(guān)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(huán)，其控制規(guī)律與PLC輸出分配如圖2所示。

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

4）要求監(jiān)控畫面顯示與現(xiàn)場工作同步；

5）設(shè)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(tǒng)硬件設(shè)計

遠程監(jiān)控十字路口交通燈系統(tǒng)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(tǒng)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(diào)試，又可作為上位機監(jiān)控。

計算機通過與PLC的通信，讀取PLC中的信息并顯示在監(jiān)控畫面上，同時操作人員發(fā)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(jiān)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(tǒng)接線圖Fig．3 System circuit diagram for controlling crossroads traffic light

1.3 組態(tài)王軟件設(shè)計

交通燈控制系統(tǒng)的組態(tài)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(shù)據(jù)詞典組態(tài)（如圖5所示）定義系統(tǒng)變量，然后建立數(shù)據(jù)庫變量與組態(tài)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(xiàn)組態(tài)王軟件對十字路口交通燈控制系統(tǒng)運行情況的動態(tài)監(jiān)控[6]。

圖4 交通燈控制系統(tǒng)的組態(tài)畫面Fig．4 System configuration screen diagram for controlling crossroads traffic light

1.4 PLC程序設(shè)計與調(diào)試

根據(jù)控制要求及PLC的輸入輸出端子分配，可設(shè)計PLC梯形圖程序。使用STEP7-Micro/WIN軟件編程時需要注意把監(jiān)控畫面起動按鈕I/O離散變量M2．0、監(jiān)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(lián)來實現(xiàn)現(xiàn)場按鈕和遠程監(jiān)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(diào)試通過。

圖5 交通燈控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)詞典組態(tài)畫面Fig．5 System configuration screen diagram of data dictionary for controlling crossroads traffic light

1.5 整體系統(tǒng)程序調(diào)試

檢查系統(tǒng)接線無誤后，接通PLC電源。然后在組態(tài)王的工程瀏覽器中單擊“VIEW”圖標，則進入組態(tài)王運行系統(tǒng)，屏幕顯示“十字路口交通燈控制系統(tǒng)”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(tài)，同時與實驗板上的紅綠燈的運行狀態(tài)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(tǒng)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(xiàn)的原因，區(qū)分出是PLC控制問題還是組態(tài)王設(shè)置問題，然后根據(jù)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(tǒng)設(shè)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(shù)、新知識，就必須堅持自主學習、努力探索。通過整體系統(tǒng)的全程設(shè)計，學生們增加了團隊協(xié)作觀念，對已學過的知識加深了印象，對未知的領(lǐng)域進行了探索，熟悉了系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟，增強了動手能力、思考和學習能力以及對系統(tǒng)設(shè)計的整體把握能力，有利于培養(yǎng)學生的學習興趣和樹立學生終身學習的理念。

2 結(jié) 論

學生在進行系統(tǒng)設(shè)計時，一方面最大程度地調(diào)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(shè)計中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，真正調(diào)動主觀能動性，使學生形成良好的學習狀態(tài)。在系統(tǒng)設(shè)計中運用理論知識，并在設(shè)計中拓展已有的理論知識，為日后的就業(yè)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(diào)在系統(tǒng)設(shè)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(yè)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(tài)軟件控制技術(shù)及應用[M]．中國電力出版社，2011．

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

[5]廖常初．PLC編程及應用[M]．3版．機械工業(yè)出版社，2010．

[6]汪德彪，郝蕓．計算機控制技術(shù)[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(shù)教程[M]．機械工業(yè)出版社，2010．