張宏偉，荊鵬輝，王新環(huán)

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

可編程邏輯控制器(PLC)是一種應(yīng)用十分廣泛的微機(jī)控制裝置，是電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。《現(xiàn)代電氣控制技術(shù)與PLC》課程內(nèi)容集傳統(tǒng)的繼電控制技術(shù)、PLC控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與組態(tài)監(jiān)控技術(shù)為一體，課程知識多、覆蓋面廣，注重培養(yǎng)學(xué)生電氣繪圖、電氣控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與安裝調(diào)試等方面的綜合能力，實踐性和綜合性較強(qiáng)[3-5]。

目前PLC實驗裝備體積大、價格高、實驗項目單一，無法滿足多樣化的教學(xué)需求。隨著高等學(xué)校的擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)逐漸增加，而現(xiàn)有的實驗裝備數(shù)量不足，實驗效率低且效果差。同時由于學(xué)生缺少工程應(yīng)用背景，難以很好地掌握現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方法，無法解決工程中的實際問題[3-6]。針對傳統(tǒng)PLC實驗裝置及教學(xué)方法存在的問題，很多研究人員從不同角度進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)改革方案。

文獻(xiàn)[5]-[10]探討了虛擬仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用，其中文獻(xiàn)[5]、[6]利用組態(tài)軟件、PLC編程軟件構(gòu)建PLC虛擬仿真平臺，但沒有實現(xiàn)組態(tài)軟件與PLC的虛擬通信；文獻(xiàn)[7]基于VRML開發(fā)PLC虛擬仿真實訓(xùn)平臺，采用B/S架構(gòu)，客戶端使用ActiveX完成3D虛擬現(xiàn)實場景渲染；文獻(xiàn)[8]采用3Ds Max建立水泵、壓力傳感器、水池等三維模型，利用Unity 3D開發(fā)恒壓供水上位機(jī)虛擬仿真軟件，構(gòu)建PLC虛擬仿真平臺。這兩種方法為純虛擬仿真，脫離了PLC及組態(tài)監(jiān)控開發(fā)環(huán)境。文獻(xiàn)[11]-[15]對PLC課程案例教學(xué)法進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[13]運用典型的工程項目材料，將學(xué)生帶入整個項目的開發(fā)過程中，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究性學(xué)習(xí)；文獻(xiàn)[14]、[15]結(jié)合產(chǎn)業(yè)特點設(shè)計工程案例，開展PLC案例教學(xué)改革。然而相關(guān)文獻(xiàn)中的PLC案例教學(xué)仍需要實驗平臺，成本高，設(shè)備較為復(fù)雜。

為滿足高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，本文針對PLC教學(xué)中存在的問題，對PLC實驗教學(xué)模式進(jìn)行改革，提出利用組態(tài)軟件、PLC編程軟件、仿真軟件以及虛擬通信技術(shù)構(gòu)建PLC 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的方法，同時以工業(yè)控制領(lǐng)域典型的物料混合系統(tǒng)為對象，設(shè)計物料混合PLC控制系統(tǒng)綜合實驗案例，探究案例教學(xué)方法，注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性思維，全方面鍛煉學(xué)生的PLC綜合應(yīng)用能力。

1 PLC課程工程案例教學(xué)方法實施

1.1 案例教學(xué)流程

《現(xiàn)代電氣控制技術(shù)與PLC》課程工程案例教學(xué)法根據(jù)教學(xué)目的與要求，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，運用典型的工程項目，設(shè)計一個綜合實驗案例[7-8]。讓學(xué)生參與到整個案例的設(shè)計開發(fā)過程中，并采取有效措施指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠最大限度地開闊視野，活躍思維。

案例教學(xué)流程如圖1所示。案例教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生積極思考，在課程上共同討論，并進(jìn)行自主設(shè)計，有效鍛煉了學(xué)生對于電氣控制技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。

1.2 案例選擇及要求

案例選題需要來源于工程實際，并注重綜合性。物料混合控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文針對物料混合系統(tǒng)，設(shè)計一個虛擬仿真綜合實驗項目，模擬工業(yè)物料混合過程。項目要求學(xué)生針對物料混合生產(chǎn)工藝，完成設(shè)備選型、電氣控制線路設(shè)計、 PLC控制程序編寫以及上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計，并進(jìn)行仿真調(diào)試。該案例可以鍛煉學(xué)生電氣繪圖、PLC程序設(shè)計、組態(tài)監(jiān)控軟件設(shè)計，以及系統(tǒng)仿真與調(diào)試能力，較為全面地培養(yǎng)了學(xué)生動手能力及分析、解決問題的能力。

圖1 案例教學(xué)流程

2 PLC虛擬仿真實驗平臺構(gòu)建

為了方便實驗課程案例教學(xué)實施，本文利用組態(tài)軟件模擬PLC 控制對象，結(jié)合PLC仿真軟件，構(gòu)建一個PLC虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。PLC虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，由STEP編程軟件、PLCSIM仿真軟件、組態(tài)王監(jiān)控軟件與網(wǎng)絡(luò)接口軟件NetToPLCsim組成。

圖2 PLC控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺架構(gòu)

利用組態(tài)軟件建立被控對象模型，以動畫、曲線、圖表等方式在線模擬實際工業(yè)生產(chǎn)過程。利用STEP編程軟件及PLCSIM軟件，可以不依賴于硬件PLC，通過仿真方法模擬CPU進(jìn)行程序下載、測試，以降低實驗成本，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。利用NetToPLCsim網(wǎng)絡(luò)接口軟件，將本機(jī)網(wǎng)卡的IP地址102端口映射到PLCSIM，實現(xiàn)PLCSIM 與SCADA 的網(wǎng)絡(luò)通信[16]。

3 PLC控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗案例設(shè)計

3.1 物料混合系統(tǒng)工藝流程及控制要求

設(shè)計一個物料混合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)A、B兩種液體原料按比例混合，工藝原理如圖3所示。

(1)工藝原理：① 液位由液位傳感器/變送器進(jìn)行檢測，量程0～2m，輸出信號為4～20mA電流信號；進(jìn)料閥1、進(jìn)料閥2與排料閥為24VDC電磁閥，攪拌器為15kW三相異步電機(jī)；② 按下“啟動”按鈕后系統(tǒng)自動運行，首先打開“進(jìn)料閥1”，加入物料A，液位達(dá)到物料A設(shè)定值后，關(guān)閉“進(jìn)料閥1”，打開“進(jìn)料閥2”，加入物料B；③ 液位達(dá)到物料B設(shè)定值后，關(guān)閉“進(jìn)料閥2”，啟動“攪拌器”進(jìn)行物料混合；④ 攪拌10s后，關(guān)閉“攪拌器”，開啟“排料閥”;⑤ 液位低于設(shè)定值時，延時5s后關(guān)閉“排料閥”；⑥ 按下“停止”按鈕，系統(tǒng)立即停止運行。

圖3 物料混合工藝原理

(2)控制要求?；疽鬄椋焊鶕?jù)上述工藝設(shè)計PLC接口電路，編寫PLC控制程序，設(shè)計上位機(jī)監(jiān)控軟件，并進(jìn)行仿真調(diào)試。擴(kuò)展要求為：① 物料比例、攪拌時間均可通過上位機(jī)設(shè)定；② 監(jiān)控軟件具有實時曲線、數(shù)據(jù)報表功能；③ 設(shè)置液位報警功能；④ 具備手動功能，可單獨控制各個電氣設(shè)備。

3.2 案例教學(xué)實施流程

實驗案例教學(xué)實施流程如圖4所示。首先，教師講解案例內(nèi)容及注意事項，確定控制要求，布置設(shè)計任務(wù)；然后，學(xué)生設(shè)計方案，經(jīng)教師審核后，進(jìn)入仿真調(diào)試階段。整個案例教學(xué)過程由學(xué)生獨立完成，教師全程指導(dǎo)，實現(xiàn)以教師為主體到以學(xué)生為主體的轉(zhuǎn)變，給學(xué)生提供更多自主學(xué)習(xí)的機(jī)會；案例設(shè)計完成后，指導(dǎo)教師根據(jù)設(shè)計結(jié)果對案例進(jìn)行驗收，對于不符合要求的需要重新設(shè)計。

4 物料混合控制系統(tǒng)虛擬仿真案例實現(xiàn)

4.1 硬件組態(tài)

PLC 的CPU選擇315-2PN/DP ，該款CPU集成了一個以太網(wǎng)接口和一個DP接口，方便與組態(tài)王軟件組成通信網(wǎng)絡(luò)。利用STEP編程軟件創(chuàng)建S7項目，在“FC與FB”項目內(nèi)打開“SIMATIC 300 Station”文件夾，并打開硬件配置窗口，硬件組態(tài)界面如圖5所示。

設(shè)置CPU的Ethernet接口屬性，輸入IP地址、子網(wǎng)掩碼，建立一個子網(wǎng)。IP地址設(shè)置為192.168.1.2，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.255.0。

4.2 PLC控制程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化編程。將復(fù)雜的自動化任務(wù)分割成可反映過程技術(shù)功能或可多次處理的小任務(wù)，能夠更易于控制復(fù)雜任務(wù)。OB1為主循環(huán)組織塊；OB100為啟動組織塊，F(xiàn)C1實現(xiàn)攪拌控制；FC2實現(xiàn)放料控制；FB1通過調(diào)用DB1和DB2，實現(xiàn)液料A和液料B的進(jìn)料控制，DB1與DB2為液料A與液料B進(jìn)料控制的背景數(shù)據(jù)塊，在調(diào)用FB1時為FB1提供實際參數(shù)，并保存過程結(jié)果。PLC程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 物料混合控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗流程

圖5 硬件組態(tài)界面

圖6 PLC程序結(jié)構(gòu)

4.3 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

上位機(jī)以組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，使用組態(tài)王實現(xiàn)物料混合模型仿真運行基本步驟為：圖形界面設(shè)計→定義IO設(shè)備→構(gòu)造數(shù)據(jù)庫→建立動畫連接→運行與調(diào)試。

(1)監(jiān)控畫面設(shè)計。利用組態(tài)軟件設(shè)計圖形界面，如圖7所示。

(2)定義IO設(shè)備。選擇組態(tài)王 “設(shè)備COM1”運行“設(shè)備配置向?qū)А?，定義IO設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動選擇 “設(shè)備驅(qū)動→PLC→西門子→S7-300(TCP)”的“TCP”項，為要安裝的設(shè)備指定地址。組態(tài)王與S7-300 PLC TCP網(wǎng)絡(luò)通信地址、通訊參數(shù)定義與設(shè)備地址格式如下：

PLC的IP地址:CPU機(jī)架號:CPU槽號XXX.XXX.XXX.XXX:Y:Z

其中，[XXX]取值范圍為 0～255，[Y]取值范圍為0～21，[Z]取值范圍為0～18。

圖7 物料混合系統(tǒng)圖形界面

(3)數(shù)據(jù)庫構(gòu)造。在組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中定義數(shù)據(jù)庫變量，定義時要指定變量名和變量類型。本系統(tǒng)建立的變量如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)詞典變量

(4)動畫連接。將畫面圖形對象與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)變量之間建立連接，當(dāng)變量值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫形式表現(xiàn)出來。

(5)仿真調(diào)試。組態(tài)王工程建立完成后，進(jìn)入運行與調(diào)試階段。在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件切換到 View”菜單命令，進(jìn)入組態(tài)王運行系統(tǒng)，顯示組態(tài)王運行系統(tǒng)畫面。

5 結(jié)語

(1)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于《現(xiàn)代電氣控制技術(shù)與PLC》實驗教學(xué)，其無需實際物理控制對象，靈活性強(qiáng)，適合設(shè)計研究型實驗開發(fā)，且方便學(xué)生課外學(xué)習(xí)。

(2)以物料混合系統(tǒng)為對象，設(shè)計一個PLC虛擬仿真實驗教學(xué)案例并進(jìn)行實驗教學(xué)研究，教學(xué)案例來源于工程實際，容易引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

(3)案例教學(xué)注重啟發(fā)學(xué)生思考，教師在教學(xué)過程中不再是“唱獨角戲”，而是引導(dǎo)學(xué)生積極思考、共同討論并進(jìn)行自主設(shè)計，有效鍛煉了學(xué)生對于電氣控制技術(shù)的綜合應(yīng)用能力與分析解決問題的能力。