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        基于電梯模型的S7-1200 PLC實驗教學平臺設計

        2018-05-09 02:31:20盧建寧王步來宗劍錢平
        中國教育技術裝備 2018年24期
        關鍵詞:開關門教學實驗西門子

        ◆盧建寧 王步來 宗劍 錢平

        1 引言

        現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速反應,生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求,生產(chǎn)設備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性[1]。PLC(Programmable Logical Controller,PLC)即可編程邏輯控制器,是自動控制技術、計算機技術和通信技術三者結合的高科技產(chǎn)品。PLC 具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾性能力強等特點,被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)控制的各個領域[1-3]。

        目前各工科大專院校電類專業(yè)都開設了PLC相關課程,原有的教學以S7-200 為教學機型[1]。S7-200 是一款經(jīng)典的PLC,多年來在工業(yè)控制領域得到廣泛應用。由于PLC 技術日新月異,發(fā)展很快,西門子公司將不再對S7-200 系列PLC 進行更新升級。與此同時,西門子公司在2009 年推出面向中小型應用場合的S7-1200 系列PLC,逐漸在各行各業(yè)得到廣泛應用,S7-1200 系列PLC 也逐漸成為各個高校的教學機型[2-4]。

        高校的PLC實驗教學由于受到資金、場所等條件的限制,往往難以及時更新教學實驗設備。本文從滿足教學和科研的需要出發(fā),針對當前實驗條件存在的不足,探索利用“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽邏輯控制子賽項的比賽裝置,設計基于西門子S7-1200 PLC 的實驗教學平臺,學生可在該仿真實驗平臺上進行多個PLC 教學實驗,并可以通過人機交互界面(HMI)動態(tài)顯示PLC 控制系統(tǒng)的工作狀況。

        2 用于比賽的電梯仿真模型組成

        電梯仿真模型(Elevator Simulation Model,簡稱ESM)由控制器與被控對象兩大部分組成。其中,控制器采用西門子S7-1214C DC/DC/DC PLC,被控對象即為電梯仿真軟件。被控對象運行在工控機中。從宏觀上看,在ESM 整個系統(tǒng)中,工程師站與PLC 直接通過以太網(wǎng)連接,PLC 與仿真對象之間采用Profibus DP 通信協(xié)議來實現(xiàn)連接。在工程師站上安裝有軟件TIA Portal V13 和WINCC Professional V13。CM1243-5 模塊即為Profibus DP 主站,電梯仿真模型通過PM125 模塊成為Profibus DP 從站。PLC 與主站直接相連,仿真對象與從站直連。整體網(wǎng)絡拓撲結構見圖1。

        PM125 模塊提供了仿真對象與現(xiàn)場總線PROFIBUS 的互連,其作為Profibus DP 從站,內部遵循一定的協(xié)議格式。從PLC 端的角度來看,其格式如圖2 所示。

        具體來講,對于PLC 端的輸入數(shù)據(jù),首字節(jié)用于通信命令字,后續(xù)的字節(jié)則是用戶數(shù)據(jù),其長度由實際情況而定;對于輸出數(shù)據(jù),除了首字節(jié)同樣用于通信命令字外,其后的第二個字節(jié)用于定義PLC 輸出數(shù)據(jù)的長度值,接下來的字節(jié)才是用戶數(shù)據(jù),同樣地,其長度也由實際情況而定。

        3 實驗教學平臺設計

        電梯控制實驗是PLC 案例教學中的一個典型實驗[5-6]。電梯仿真模型ESM 可以仿真一部、兩部或者三部六層電梯。PLC 可以通過Profibus 總線的通信接口對電梯仿真模型進行信號采集和輸出控制。下面以單部電梯為例,說明如何利用電梯仿真模型開設PLC 的教學實驗。

        圖1 電梯仿真模型結構圖

        圖2 PM125 通信協(xié)議格式定義

        電梯模型的輸出信號,針對PLC 而言是輸入信號:各樓層的上行下行按鈕10 個,轎廂內樓層按鈕六個,各樓層門鎖信號六個,端站限位信號四個,上下平層信號兩個,電梯門開關到位信號兩個,轎廂門開關按鈕兩個,紅外光幕、超重、檢修開關、轎廂門鎖信號、自動運行信號各一個,總共37 個PLC 的輸入信號。單部六層電梯模型的輸入信號地址如表1 所示。

        電梯模型的輸入信號,針對PLC 而言是發(fā)出的控制信號,包括各樓層外呼指示燈10 個,各層內呼指示燈六個,七段數(shù)碼顯示七個,上下行指示兩個,上下行接觸器兩個,開關門繼電器兩個,高低速運行指示兩個,制動接觸器三個,此外還有準備就緒信號、電機啟動信號、故障指示、照明、風扇各一個,總共39 個PLC 的輸出信號。單部六層電梯模型的輸出信號地址如表2 所示。

        表1 單部六層電梯模型的輸入信號列表

        表2 單部六層電梯模型的輸出信號列表

        電梯控制程序由學生按照電梯運行的規(guī)則進行編寫,在TIA 13 中編譯好電梯運行控制程序,并將其下載到西門子S7-1214PLC 中,并調到RUN 運行模式。電梯仿真對象模型以三維畫面的形式反映PLC 內部程序運行結果,能夠非常直觀地反映PLC 程序運行得正確與否。三維模型畫面能直觀地顯示電梯的運行位置,能夠判斷PLC 發(fā)出樓層指示信號的正確性;能直觀地動態(tài)顯示電梯的運行方向,能夠判斷PLC 給出的電梯運行方向指示信號的正確性;能動態(tài)地模擬電梯開關門的動作,檢驗PLC 發(fā)出的開關門信號的正確性。電梯模型進行不同客流類型的模擬,可以設置乘客出現(xiàn)的時間、所在樓層、數(shù)量、干擾信號等。仿真電梯模型可實現(xiàn)真實電梯的絕大多數(shù)功能,同時對PLC 編程沒有任何額外限制。學生編寫的程序和采用真實電梯模型的控制程序可以完全一樣。

        以電梯模型作為教學平臺,筆者開發(fā)了八個教學實驗,分別是電梯模型認知實驗,Profibus DP 通信實驗,信號指示系統(tǒng)實驗,電梯啟動與停止、制動控制,電梯樓層信號的產(chǎn)生、消除及顯示,電梯外呼內選信號的登記與消除,電梯開關門控制,電梯開關門故障保護?;谖鏖T子S7-1200 PLC 控制的電梯的仿真效果如圖3 所示。通過實驗,使學生能夠清楚地了解PLC 控制系統(tǒng)的工作原理,真正感知PLC 強大的控制功能。

        圖3 電梯仿真運行效果

        4 結語

        PLC(可編程控制器)相關課程是高等院校電類專業(yè)的重要專業(yè)課程,課程的實踐性非常強,必須通過實驗或進行實際操作,才能夠真正掌握PLC 技術。針對應用型高校的PLC 實驗教學受到資金、場所等諸多條件的限制,充分利用“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽邏輯控制子賽項的比賽裝置,設計基于S7-1200 PLC 的實驗教學平臺。學生利用該平臺可以完成多個教學實驗,并通過三維動態(tài)仿真模型直觀地驗證PLC 控制程序的正確性。

        經(jīng)過四個學期的教學實踐,發(fā)現(xiàn)與以往教學方式相比,實驗教學平臺能夠提高學生的學習興趣和編程能力,并且這種模式更貼近實際應用和工況。實驗教學平臺的運用能夠豐富教學內容,有利于學生對PLC 的全面理解和掌握,提高學生的學習興趣,改善學生的學習風氣,增強PLC 實驗的教學效果。學生通過實驗教學平臺的訓練,掌握了PLC的基本編程和操作方法,為今后從事工業(yè)自動控制領域的相關工作打下扎實的基礎。■

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