沈亞斌++趙濤

摘 要 設計基于PLC控制器的過程控制實驗模塊，可結合PLC、PLC模擬量擴展模塊等構成便利性、實用性很強的綜合實驗系統(tǒng)，能滿足過程控制、PLC課程的實驗教學要求，可使學生加深對過程控制系統(tǒng)、PLC控制、PID技術等知識的掌握。目前該實驗模塊已獲國家發(fā)明專利。

關鍵詞 過程控制系統(tǒng)；PLC；實驗裝置

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）02-0041-02

Development of Process Control System Experiment Module based on PLC//SHEN Yabin， ZHAO Tao

Abstract The process control experimental modules designed based

on PLC controller in this paper can be combined with PLC， PLC analog extended module to form the integrated experiment system with convenience and practicality， it can meet the requirements of process control， PLC experiment teaching， can make the students deepen their grasp of knowledge in process control system， PLC control， PID technology. At present the experiment modules have been awarded national invention patent.

Key words process control system； PLC； experimental device

1 前言

過程控制是一門理論與生產實際結合緊密的自動化專業(yè)課程，具有很強的工程實踐性，相應的過程控制實驗是本課程重要的教學環(huán)節(jié)。學生通過實驗，可以了解各種過程控制儀表（包括檢測元件及變送器、調節(jié)器和執(zhí)行器），掌握過程對象的建模方法和過程控制系統(tǒng)的設計方法（包括系統(tǒng)構建、控制算法設計、控制參數(shù)整定等），并對計算機過程控制系統(tǒng)有一定的了解及掌握。

南京工程學院為提高學生的理論素質、實踐能力和改善就業(yè)，用大量資金購置多套專業(yè)實驗裝置。過程控制實驗室原先采用的是浙大中控10多年前的SUPCON JX-300 DCS系統(tǒng)，配上基于工業(yè)過程的物理模擬對象系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、前饋—反饋控制、比值控制、解耦控制等多種控制形式。但由于使用年限較長，技術陳舊，且系統(tǒng)站點通信也不可靠，給實驗的正常開展及實驗效果帶來很大影響。

學校近年添置一套南京科遠自動化NT6000 DCS系統(tǒng)，但該系統(tǒng)沒有配備物理控制對象，只能在DCS的工程師站上進行模擬組態(tài)和運行，使得學生不能通過實驗真實體驗實際工業(yè)生產過程控制的具體流程，不能幫助學生真正建立過程控制系統(tǒng)的概念，存在理論和實踐脫節(jié)的問題。

以上兩種基于DCS的實驗系統(tǒng)都屬于站點多（包括現(xiàn)場控制站、工程師站、操作員站等）的大型裝置，占用實驗場地大，添置、改造成本高，實驗的靈活性、便利性較差。另外，PLC作為工業(yè)自動化的三大支柱之一，由于其技術的發(fā)展、性能的提高、組網通信功能的靈活，現(xiàn)已廣泛應用于過程控制領域，與過程控制的結合愈發(fā)緊密。為此，研究開發(fā)一套基于PLC控制器的混合信號實驗模塊。該模塊既可作為過程控制系統(tǒng)課程的教學實驗裝置，又可作為PLC課程的實驗控制對象，分別進行開關量和模擬量控制的多個實驗，減少專業(yè)實驗裝置的投資，有效提高裝置的利用率和實驗的便利性。此外，在該實驗模塊基礎上還可進行設計性拓展，有利于培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新意識和科研素質。

2 實驗模塊設計

系統(tǒng)框圖 設計的基于PLC控制器的過程控制實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示。該實驗系統(tǒng)由PLC、實驗模塊（PCB板）、PLC模擬量擴展模塊等構成，是一套便利性、實用性很強的實驗裝置，能滿足過程控制、PLC課程的實驗教學要求，還可為學生加深對過程控制系統(tǒng)、PLC控制、PID技術等知識的掌握，建立明晰的系統(tǒng)概念。

實驗系統(tǒng)各部分說明 由實驗模塊作為主要受控對象構成的實驗系統(tǒng)主要包括模塊PCB板、PLC控制器和PLC模擬量擴展模塊：PCB板包括DC-DC電路、信號給定及被控對象電路（模擬PI調節(jié)模塊和模擬二階被控對象模塊）、數(shù)字信號輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路、PCB板輸入輸出接口、第一端子排和第二端子排；PLC控制器包括電源電路、PLC控制器輸入輸出接口和中央處理單元；PLC模擬量擴展模塊包括PLC模擬量擴展模塊輸入輸出接口。數(shù)字信號輸入輸出電路、譯碼鎖存及數(shù)碼顯示電路和PCB板輸入輸出接口均通過第一端子排與PLC控制器輸入輸出接口相連接，信號給定及被控對象電路通過第二端子排與PLC模擬量擴展模塊輸入輸出接口相連接。

實驗模塊的特點 采用通用化設計，PLC主機及其模擬量輸入輸出模塊完全可以根據(jù)用戶要求自行配置，如西門子、三菱、歐姆龍、松下、臺達等，適應性強；功能全面，實驗項目豐富，結合過程控制和PLC的經典控制實驗，可以豐富目前高等院校過程控制及PLC實驗教學內容；成本低廉、輸入輸出接口通用、使用靈活方便、擴展靈活、易于維護、占用PLC資源少，方便教學實驗，具有良好的應用前景。

3 實驗項目的開發(fā)

基于PLC控制器的過程控制實驗模塊，作為模擬被控對象，結合PLC及PLC的模擬量輸入輸出模塊，既可以做諸如多路信號巡回檢測及數(shù)據(jù)處理、基于PLC的數(shù)字PID閉環(huán)控制、顯示及報警等傳統(tǒng)過程控制的實驗，也可做諸如帶倒計時的交通信號燈控制、順序控制、多路彩燈控制等經典PLC實驗，功能全面。

基于PLC的巡回檢測及數(shù)據(jù)處理實驗 由PCB板上的信號給定模塊提供兩路模擬實測物理量，經PLC（以西門子S7 200 PLC為例）模擬量擴展模塊（型號EM235）定時采集輸入，與內給定值進行比較，輸出相應切換信號，并且可以設定物理量的上下限值進行越限報警，同時實現(xiàn)實測物理量的顯示。

基于PLC的PID閉環(huán)控制實驗 可通過PCB板上的調試開關連接模擬PI調節(jié)模塊102c和模擬二階被控對象模塊102b，模擬二階被控對象模塊102b的輸出量通過PLC模擬量擴展模塊（型號EM235）輸入，通過信號給定模塊102a改變給定值，通過模擬對象輸出量的顯示觀測PID閉環(huán)調節(jié)的過程，可以通過實驗比較模擬PI調節(jié)與PLC的數(shù)字PID調節(jié)的效果。

基于PLC的交通信號燈控制系統(tǒng) 由PCB板上的16個LED指示燈分別模擬十字交通路口的12個紅、黃、綠指示燈和4個路口4輛汽車的行止狀態(tài)，由PLC的數(shù)字量輸出口進行控制，東西、南北向的交通控制時間可由數(shù)碼管進行倒計數(shù)顯示。另外，若將12個紅、黃、綠LED指示燈分成3組，就可模擬進行不同要求的彩燈實驗；還可將16個LED燈分組模擬不同對象，進行各種順控實驗。

4 結語

采用基于PLC的過程控制系統(tǒng)實驗模塊，豐富了過程控制系統(tǒng)和PLC兩門課程的實驗項目和實驗內容，可以方便地組成多種控制實驗，模塊結構配置簡單、靈活，綜合性強、性價比高。該模塊將開關量、模擬量采集與控制結合起來，充分模擬工業(yè)控制實際。通過該系統(tǒng)可以使學生對過程控制系統(tǒng)和PLC控制有比較全面的認識和理解，更重要的是能讓學生將過程控制和PLC的理論知識與工程實踐得到很好的結合，實現(xiàn)把多種專業(yè)知識在實驗環(huán)節(jié)中交叉、融合，為解決目前高校過程控制教學實驗設備陳舊落后的問題提供設計思路，具有良好的實踐意義?！?/p>

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