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        可編程序控制器可視化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-01-28 03:36:30王宗濤李修強(qiáng)韓廷選
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年23期
        關(guān)鍵詞:編程序教學(xué)系統(tǒng)觸點(diǎn)

        王宗濤 李修強(qiáng) 韓廷選

        (天津理工大學(xué)海運(yùn)學(xué)院,天津 300384)

        0 引言

        可編程控制器技術(shù)是一門在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,必須在掌握基本理論后,才能安全高效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐。如果能夠設(shè)計(jì)一套可視化教學(xué)系統(tǒng),就可以推動(dòng)可編程序控制器技術(shù)在教學(xué)和實(shí)踐2個(gè)方面的發(fā)展??梢暬虒W(xué)設(shè)計(jì)的目的就是為了簡潔、明了地傳遞信息。將信息化手段應(yīng)用于教學(xué)中,是擺在高校教師面前的一個(gè)重要任務(wù)[1-2]。目前這方面的研究多側(cè)重于提高實(shí)驗(yàn)裝置的性能或者采用虛擬仿真和動(dòng)畫的方式進(jìn)行教學(xué)[3-5]。這些研究都未能將課堂教學(xué)與具體的實(shí)際控制進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

        結(jié)合可編程序控制器課程的相關(guān)內(nèi)容,該研究開發(fā)的可編程序控制器可視化教學(xué)系統(tǒng)既符合實(shí)際的工業(yè)控制情況,又能和實(shí)際的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制,并且可以靈活地應(yīng)用于課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)??删幊绦蚩刂破骺梢暬虒W(xué)系統(tǒng)將機(jī)電控制系統(tǒng)、可編程序控制器的程序和實(shí)際控制的操作按鈕組合在一起。其中,機(jī)電控制系統(tǒng)采用虛擬電路的方式,可以動(dòng)態(tài)觀察接觸器觸點(diǎn)的狀態(tài)以及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況;采用在線監(jiān)視的模式來觀察程序的運(yùn)行情況。操作按鈕可以供操作者進(jìn)行現(xiàn)場操作,操作者在操作的同時(shí),可以實(shí)時(shí)觀察程序的狀態(tài)、接觸器的動(dòng)作和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行,可以完整地把握控制系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理。該研究所開發(fā)的可編程序控制器可視化教學(xué)系統(tǒng)具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn):1)系統(tǒng)采用純軟件設(shè)計(jì),確保了課堂教學(xué)的安全和高效。2)該系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì),能夠連接實(shí)際的可編程序控制器裝置,并且可以靈活地應(yīng)用于課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。3)該系統(tǒng)完整的展示了控制系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理,可以增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

        1 可視化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 可視化教學(xué)系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

        如圖1所示,可視化教學(xué)系統(tǒng)主界面設(shè)置了8個(gè)演示模塊:循環(huán)掃描過程、啟??刂蒲菔尽⒛M量演示、延時(shí)啟動(dòng)演示、正反轉(zhuǎn)演示、星三角啟動(dòng)、定時(shí)器擴(kuò)展以及車位管理系統(tǒng),另外還設(shè)計(jì)了1個(gè)系統(tǒng)簡介按鈕。該文對(duì)部分模塊的操作進(jìn)行說明,單擊對(duì)應(yīng)的按鈕,即可進(jìn)入相應(yīng)的演示模塊。

        圖1 可視化教學(xué)系統(tǒng)主界面

        1.2 循環(huán)掃描過程模塊

        如圖2所示,循環(huán)掃描過程界面中I0.0、I0.1、I0.2等是可編程序控制器的觸點(diǎn),Q0.0、Q4.0等是可編程序控制器的線圈,KM是控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的接觸器??删幊绦蚩刂破鞑捎醚h(huán)掃描機(jī)制,包括輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段。該模塊結(jié)合啟停控制電路程序,展示了可編程序控制器的運(yùn)行機(jī)理。學(xué)生可以用講臺(tái)的電腦進(jìn)行現(xiàn)場操作演示,這樣既能動(dòng)手操作又能動(dòng)態(tài)看到程序運(yùn)行的全過程。

        圖2 循環(huán)掃描過程界面

        1.3 啟??刂蒲菔灸K

        如圖3所示,啟停控制演示界面中FR為熱繼電器,該模塊將電動(dòng)機(jī)、可編程序控制器程序接線、梯形圖進(jìn)行了有機(jī)的整合。通過該模塊,可以在課堂進(jìn)行啟動(dòng)和停止的操作。該模塊組合了動(dòng)力線路和控制線路的接線方式,完整地展示了可編程序控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。學(xué)生們在課堂上可以動(dòng)手實(shí)驗(yàn),近乎真實(shí)地體驗(yàn)到按下啟動(dòng)按鈕后電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行過程。啟動(dòng)按鈕按下時(shí),觸點(diǎn)I0.0對(duì)應(yīng)的Led指示燈點(diǎn)亮,監(jiān)控程序也進(jìn)行了相應(yīng)的動(dòng)作;線圈Q0.0通電,接觸器KM通電,對(duì)應(yīng)的主觸點(diǎn)接通主電路,從而電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行起來。

        此外,該模塊還增加了過載測試功能,按下該按鈕,對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)I0.2接通,程序?qū)?yīng)的常閉觸點(diǎn)斷開,從而切斷Q0.0,KM失電,對(duì)應(yīng)的主觸點(diǎn)斷開,電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行,此時(shí)是無法啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的,從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)功能。

        圖3 啟??刂蒲菔窘缑?/p>

        1.4 延時(shí)啟動(dòng)演示模塊

        如圖4所示,延時(shí)啟動(dòng)演示界面將電動(dòng)機(jī)、可編程序控制器程序接線和定時(shí)器指令進(jìn)行了有機(jī)整合。該模塊在啟??刂蒲菔灸K基礎(chǔ)上增加了定時(shí)器指令,當(dāng)觸點(diǎn)I0.0對(duì)應(yīng)的按鈕按下,觸點(diǎn)M0.0通電,定時(shí)器T37開始通電工作,計(jì)時(shí)時(shí)間到,觸點(diǎn)Q0.0通電,線圈KM通電啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。該模塊真實(shí)地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場,幫助同學(xué)深刻領(lǐng)會(huì)定時(shí)器的使用方法。

        圖4 延時(shí)啟動(dòng)演示界面

        1.5 星三角啟動(dòng)控制演示模塊

        如圖5所示,星三角啟動(dòng)控制演示界面中KM1、KM2和KM3是控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的接觸器。該模塊在啟??刂蒲菔灸K基礎(chǔ)上,增加了星三角啟動(dòng)功能,可以防止電動(dòng)機(jī)三角形遇到直接啟動(dòng)時(shí)的大電流,減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。該模塊將星三角接線啟動(dòng)的主電路接線、可編程序控制器控制線路和星三角啟動(dòng)控制梯形圖進(jìn)行了有機(jī)整合。在課堂上可以邀請學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場操作,親自體會(huì)啟動(dòng)過程中的細(xì)節(jié),并通過程序監(jiān)控功能,分析定時(shí)器的工作過程,從而深入體會(huì)星三角啟動(dòng)的控制思想。

        1.6 定時(shí)器擴(kuò)展演示模塊

        如圖6所示,定時(shí)器擴(kuò)展演示界面在延時(shí)啟動(dòng)演示模塊的基礎(chǔ)上,將定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的綜合應(yīng)用進(jìn)行整合。定時(shí)器T37延時(shí)時(shí)間到,接通計(jì)數(shù)器C1 1次,計(jì)數(shù)增加1,同時(shí)T37復(fù)位。通過電動(dòng)機(jī)啟停控制、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器指令的綜合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了定時(shí)器擴(kuò)展功能的練習(xí)。

        1.7 車位管理系統(tǒng)控制演示模塊

        如圖7所示,車位管理系統(tǒng)控制演示界面以車位管理為例,將加1、減1和比較指令進(jìn)行了有機(jī)整合,學(xué)生在課堂中可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)體會(huì)這些指令的運(yùn)行過程。觸點(diǎn)I0.0對(duì)應(yīng)的按鈕接通,加1指令運(yùn)行,VW0的數(shù)值自動(dòng)加1。觸點(diǎn)I0.1對(duì)應(yīng)的按鈕接通,減1指令運(yùn)行,VW0的數(shù)值自動(dòng)減1。VW0的值<10,線圈Q0.1通電,系統(tǒng)指示有車位,VW0的值=10,系統(tǒng)指示沒有車位。該模塊完整展示了車位管理系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理,將現(xiàn)場操作、程序運(yùn)行機(jī)理和應(yīng)用案例進(jìn)行了有機(jī)整合。

        2 可視化教學(xué)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

        準(zhǔn)備1個(gè)實(shí)驗(yàn)需要相當(dāng)長的時(shí)間,一方面學(xué)生需要大量學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)和編程基礎(chǔ),另一方面還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深入的研究和討論;如果只是在課堂上討論,往往難以看到完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);如果理論準(zhǔn)備不足,就需要實(shí)驗(yàn)人員全程不遺余力地講解相關(guān)知識(shí),既增加了實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,又會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不好。

        可編程序控制器可視化教學(xué)系統(tǒng),既能在課堂上安排基本知識(shí)的講解,又能將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程真實(shí)再現(xiàn),既有利于理論教學(xué)的開展,又有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施。圖8為可視化教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用思路,該可視化教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用分為3個(gè)部分進(jìn)行。首先安排課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié),幫助學(xué)生了解編程基礎(chǔ)、控制目標(biāo)和接線方式。其次安排課堂講授環(huán)節(jié),教師可以講解需求分析,調(diào)用可視化教學(xué)系統(tǒng);學(xué)生可以動(dòng)手實(shí)踐操作、討論和總結(jié)。最后安排課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)生可以學(xué)習(xí)可視化教學(xué)講義,結(jié)合課堂中的討論,進(jìn)一步鞏固理論基礎(chǔ)。這3個(gè)環(huán)節(jié)是1個(gè)有機(jī)的整體,可以為下一步的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        3 結(jié)語

        可編程序控制器可視化教學(xué)系統(tǒng),將機(jī)電控制系統(tǒng)的相關(guān)器件、可編程序控制器的程序和操作按鈕進(jìn)行了有機(jī)整合,通過按鈕的操作可以體會(huì)到系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理,可視化效果良好,提高了課堂教學(xué)的效果,有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。該系統(tǒng)采用組態(tài)軟件開發(fā),符合實(shí)際的工業(yè)控制情況,緊密地貼近實(shí)踐應(yīng)用。該系統(tǒng)全方位考慮了可編程序控制器的控制接線、主電路接線、程序運(yùn)行監(jiān)控和現(xiàn)場操作等因素,能幫助學(xué)生全面地把握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理。

        圖5 星三角啟動(dòng)控制演示界面

        圖6 定時(shí)器擴(kuò)展演示界面

        圖7 車位管理系統(tǒng)控制演示界面

        圖8 可視化教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用思路

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