翁國(guó)慶

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 浙江 杭州 310023）

“電氣控制與PLC技術(shù)”是電氣、自動(dòng)化、機(jī)電類相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，其最大特點(diǎn)是應(yīng)用性、實(shí)踐性強(qiáng)，理論和實(shí)踐結(jié)合得特別緊密，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的“新工科”思維和能力的培養(yǎng)作用非常突出[1]。但是，目前高校在該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，普遍存在教學(xué)資源形式單一、交互性差、學(xué)生興趣不高、教學(xué)效率低下等問(wèn)題。特別是在該課程的常規(guī)低壓電器工作原理、電氣控制線路設(shè)計(jì)等教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)時(shí)，由于課堂教學(xué)資源、教學(xué)時(shí)間、教學(xué)對(duì)象特性所限，僅靠教師播放靜態(tài)的PPT材料以及教師抽象講授，將嚴(yán)重影響學(xué)生的理解和掌握。如何讓課堂“動(dòng)”起來(lái)，讓學(xué)生理解“易”起來(lái)，顯得愈加重要和迫在眉睫。

將多媒體技術(shù)恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用于教學(xué)中，可使教學(xué)內(nèi)容豐富多彩，形象直觀，讓那些原本枯燥無(wú)味的知識(shí)變得富有趣味性，使學(xué)生產(chǎn)生極大的好奇心[2]。動(dòng)畫輔助教學(xué)是近年來(lái)出現(xiàn)的新型展示技術(shù)，具有直觀性好、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。同時(shí)，動(dòng)畫輔助教學(xué)屬于開放式網(wǎng)絡(luò)教育形式，不受時(shí)間、空間限制[4]。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)模式可極大地提高教學(xué)效率和教學(xué)效果[5]。

本文針對(duì)“電氣控制與PLC技術(shù)”的常規(guī)電氣控制部分教學(xué)內(nèi)容，提出一種基于Visual Graph圖形集成開發(fā)環(huán)境的教學(xué)動(dòng)畫設(shè)計(jì)方案。內(nèi)容包括Visual Graph軟件特點(diǎn)和開發(fā)環(huán)境的介紹、本課程對(duì)于演示動(dòng)畫的需求分析和項(xiàng)目規(guī)劃，以及基于Visual Graph的演示動(dòng)畫設(shè)計(jì)案例實(shí)施。

1 Visual Graph軟件的特點(diǎn)和開發(fā)環(huán)境

Visual Graph是北京圖王公司開發(fā)的一套強(qiáng)大的交互圖形開發(fā)平臺(tái)，能夠非常方便地建造基于圖形的界面、制作各種圖形元件、實(shí)現(xiàn)圖形管理、圖形建模、制作監(jiān)控系統(tǒng)、表單系統(tǒng)、繪圖系統(tǒng)、流程設(shè)計(jì)、CAD軟件等。其提供功能強(qiáng)大的ActiveX組件，和其他流行的編程語(yǔ)言共同工作，彌補(bǔ)這些語(yǔ)言在圖形處理方面的不足，也可以嵌入IE瀏覽器中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上圖形編輯和控制等。Visual Graph圖形集成開發(fā)環(huán)境如圖1所示（p117）。

Visual Graph專門處理交互圖形，提供豐富規(guī)范的交互事件和圖形控制命令，內(nèi)置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單開放的腳本語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)上幾乎任何可以動(dòng)作的儀器儀表，例如刀閘、開關(guān)、儀表盤、氣溫計(jì)、氣缸、各種液位罐、煤礦用傳送皮帶、風(fēng)機(jī)、LED顯示、滑塊、各種信號(hào)燈、各種異形按鈕、棒圖、餅圖、曲線圖等等。因此，在工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控、仿真、電力、煤炭、化工等方面應(yīng)用非常廣泛。

2 課程演示動(dòng)畫的需求分析規(guī)劃

本課程教授內(nèi)容中，主要包含基于繼電接觸傳統(tǒng)的電氣控制線路設(shè)計(jì)，以及基于可編程序控制器（PLC）的現(xiàn)代電氣控制設(shè)計(jì)。而熟悉接觸器、繼電器、開關(guān)電器、主令電器、熔斷器、執(zhí)行電器和信號(hào)電器等常用電壓電器的工作原理，是學(xué)習(xí)和掌握它們的共同基礎(chǔ)要求。

在了解電氣控制線路的符號(hào)及繪制原則基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步開展三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的基本控制線路，以及更高級(jí)的功能控制線路學(xué)習(xí)?；究刂凭€路包括電動(dòng)機(jī)基本起保?？刂?、點(diǎn)動(dòng)控制、多點(diǎn)控制、正反轉(zhuǎn)控制、順序起停控制、自動(dòng)循環(huán)控制等；功能控制線路包括降壓?jiǎn)?dòng)控制、制動(dòng)控制、調(diào)速控制等。

該部分課程內(nèi)容的傳統(tǒng)授課方式以教師講授為主，由于資源所限、時(shí)間所限、對(duì)象特性所限，課程所涉及的常用低壓電器結(jié)構(gòu)組成及工作原理，以及上述各種電氣控制電路的具體工作過(guò)程，僅靠教師靜態(tài)PPT材料以及教師的抽象講授，嚴(yán)重影響學(xué)生對(duì)于該部分教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。而利用動(dòng)畫教學(xué)法，學(xué)生可以非常形象直觀地感知其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、工作原理和過(guò)程，課堂因“動(dòng)”而變得精彩。表1所列為筆者基于該部分教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)其難易度和典型性，精心挑選的部分低壓電器和電氣控制線路，基于Visual Graph軟件進(jìn)行了動(dòng)畫設(shè)計(jì)和教學(xué)資源開發(fā)的內(nèi)容。

表1 基于Visual Graph的常用電氣控制線路演示動(dòng)畫列表

3 基于Visual Graph的演示動(dòng)畫設(shè)計(jì)案例

3.1 案例1：電動(dòng)機(jī)的Y-轉(zhuǎn)換降壓?jiǎn)?dòng)控制電路

電動(dòng)機(jī)Y-轉(zhuǎn)換降壓?jiǎn)?dòng)控制電路的基本工作原理為：在電機(jī)MA通電后其轉(zhuǎn)速?gòu)?上升至額定轉(zhuǎn)速的起動(dòng)期間，MA三相繞組先按照Y（星）型接法通電；其轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速后的正常運(yùn)行期間，控制電路將其三相繞組通電方式自動(dòng)切換至（三角）型接法；根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特性，其采用Y（星）型接法時(shí)的擾動(dòng)電流僅為采用（三角）型接法時(shí)的1/3，可有效解決大容量（或重載）電機(jī)的啟動(dòng)電流過(guò)大，影響系統(tǒng)安全的問(wèn)題。

為達(dá)到將該控制電路工作原理及工作過(guò)程形象直觀表現(xiàn)的教學(xué)效果，在基于Visual Graph圖形集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)的電路動(dòng)畫設(shè)計(jì)過(guò)程中，將整個(gè)原理圖分為主電路（左下部分）和控制電路（右下部分），并在上方醒目地布置了用于操作的按鈕及指示燈顯示模塊。其中，主電路和控制電路部分，各器件圖形和文字符號(hào)基本與教材中相關(guān)內(nèi)容對(duì)應(yīng)一致。但在動(dòng)畫設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)動(dòng)畫要求：

要求1：各觸點(diǎn)的“開”“合”狀態(tài)可隨著控制邏輯推進(jìn)而自動(dòng)切換，并直觀顯示。

要求2：各線路可根據(jù)其通電與否的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)著色”，并直觀顯示。

要求3：時(shí)間繼電器（KF）元件線圈，可根據(jù)定時(shí)時(shí)間推進(jìn)而采用動(dòng)態(tài)進(jìn)度條及數(shù)字比例，直觀顯示定時(shí)時(shí)間。

要求4：三相異步電機(jī)（MA）元件，可根據(jù)其“通電”“斷電”以及運(yùn)行速度狀態(tài)量，動(dòng)態(tài)改變其“靜”與“動(dòng)”的運(yùn)行狀態(tài)。

要求5：為增強(qiáng)人機(jī)交互特性，采用布置合適元件及圖形，合適設(shè)計(jì)包括“上電開關(guān)”“起動(dòng)按鈕”“停止按鈕”“過(guò)載信號(hào)”，以及關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)指示燈。

運(yùn)行所設(shè)計(jì)的Y-△轉(zhuǎn)換降壓?jiǎn)?dòng)控制電路動(dòng)畫軟件后，系統(tǒng)彈跳出動(dòng)畫運(yùn)行窗口，如圖2所示。該動(dòng)畫軟件可按以下步驟形象展示電路工作過(guò)程：

步驟1：拉上操作臺(tái)“上電開關(guān)”，其顏色由紅變綠，主電路中開關(guān)QA△合上，系統(tǒng)上電準(zhǔn)備。

步驟2：按下操作臺(tái)“起動(dòng)”按鈕：運(yùn)行指示燈、啟動(dòng)過(guò)程燈顏色均由暗變亮，控制電路中SF2按鈕觸點(diǎn)合上，電路中接觸器QA1和QAY的所有觸點(diǎn)動(dòng)作，電機(jī)MA按Y（星）型接法起動(dòng)運(yùn)行，并開始時(shí)間繼電器KF的計(jì)時(shí)（計(jì)時(shí)時(shí)間按MA的實(shí)際啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定）；相應(yīng)通電線路，其顏色均由黑變紅。

步驟3：KF定時(shí)時(shí)間到（進(jìn)度表及百分比數(shù)字均明顯顯示），其延時(shí)觸點(diǎn)動(dòng)作，先斷開接觸器QAY主觸點(diǎn)，同時(shí)合上接觸器QA主觸點(diǎn)，電機(jī)MA繞組由Y（星）型接法自動(dòng)切換為△（三角）型接法；啟動(dòng)過(guò)程燈顏色由亮變暗，表示電機(jī)起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，電機(jī)進(jìn)入全壓正常運(yùn)行狀態(tài)。

步驟4：運(yùn)行過(guò)程中的任何時(shí)候，若在操作臺(tái)上按下“停止”或“過(guò)載”按鈕，控制電路中對(duì)應(yīng)的SF1或BB常閉觸點(diǎn)將打開，控制電路中元件線圈均失電、主電路中所有觸點(diǎn)（除開關(guān)QA0）均打開，電機(jī)停止運(yùn)行（見(jiàn)圖2）。

3.2 案例2：小車自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行控制電路

小車自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行控制電路的基本工作原理為：在小車直線運(yùn)行的始末兩端分別布置行程開關(guān)BG1和BG2，小車初始狀態(tài)為靜止?？吭谥虚g；通過(guò)按鈕控制，小車可正向啟動(dòng)（先往左運(yùn)行），也可反向啟動(dòng)（先往右運(yùn)行），運(yùn)行至終端碰觸到相應(yīng)行程開關(guān)后，都需要自動(dòng)返回運(yùn)行，直至運(yùn)行至反方向終端；如此自動(dòng)往返循環(huán)運(yùn)行，直至按下停止按鈕或者出現(xiàn)過(guò)載，小車立即就地停止。

為達(dá)到將該控制電路工作原理及工作過(guò)程形象直觀展現(xiàn)的教學(xué)效果，基于Visual Graph圖形集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)電路動(dòng)畫過(guò)程中，采用的基本思路、布局方式以及基本要求與案例1基本相似，需要重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：

要求1：各觸點(diǎn)的“開”“合”狀態(tài)可隨著控制邏輯推進(jìn)而自動(dòng)切換，并直觀顯示。

要求2：各線路的可根據(jù)其通電與否的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)著色”，并直觀顯示。

要求3：涉及位置控制，在動(dòng)畫設(shè)計(jì)時(shí)需要清晰顯示行程開關(guān)布置位置信息，并通過(guò)百分比進(jìn)度條形式展示小車往相應(yīng)方向運(yùn)行的進(jìn)度（中點(diǎn)時(shí)為50%，到達(dá)終端時(shí)為0%，期間百分比數(shù)字線性變化）。

要求4：三相異步電機(jī)（MA）元件，可根據(jù)其“通電”“斷電”以及運(yùn)行方向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)），動(dòng)態(tài)改變其“靜”與“動(dòng)”的運(yùn)行狀態(tài)。

要求5：為增強(qiáng)人機(jī)交互特性，采用布置合適元件及圖形，合適設(shè)計(jì)包括“上電開關(guān)”“停止按鈕”“過(guò)載信號(hào)”；循環(huán)運(yùn)行要求電機(jī)具有正反轉(zhuǎn)功能，在主電路、控制電路中，都必須配套設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的觸點(diǎn)電路，且其控制必須符合互鎖要求；操作臺(tái)設(shè)計(jì)中，也需要分別設(shè)計(jì)“正向起動(dòng)”“反向起動(dòng)”按鈕和對(duì)應(yīng)運(yùn)行指示燈。

運(yùn)行所設(shè)計(jì)的小車自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行控制電路動(dòng)畫軟件后，系統(tǒng)彈出動(dòng)畫運(yùn)行窗口，如圖3所示。該動(dòng)畫軟件可按以下步驟形象展示電路工作過(guò)程：

步驟1：拉上操作臺(tái)“上電開關(guān)”，其顏色由紅變綠，主電路中開關(guān)QA0合上，系統(tǒng)上電準(zhǔn)備；行程開關(guān)百分比進(jìn)度條顯示50%，表示小車初始狀態(tài)靜止?？坑谥悬c(diǎn)。

步驟2：按下操作臺(tái)“正向起動(dòng)”按鈕：相應(yīng)運(yùn)行指示燈由暗變亮，控制電路中SF2按鈕觸點(diǎn)合上，電路中接觸器QA1所有觸點(diǎn)動(dòng)作，電機(jī)MA正向（順時(shí)針）起動(dòng)運(yùn)行；相應(yīng)通電線路，其顏色均由黑變紅；動(dòng)畫圖中右上部分的行程開關(guān)百分比進(jìn)度條顯示數(shù)據(jù)將由原50%線性變小，直至降至0%，表示小車運(yùn)行至最左端，碰觸到行程開關(guān)BG1。

步驟3：控制電路中QA1控制回路中的BG1常閉觸點(diǎn)將動(dòng)態(tài)打開，自動(dòng)將接觸器線圈QA1斷電（線圈填充顏色由紅色變?yōu)楹谏麟娐分蠶A1主觸點(diǎn)動(dòng)態(tài)打開，電機(jī)MA停止正向轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，控制電路中QA2控制回路中的BG1常開觸點(diǎn)將動(dòng)態(tài)閉合，自動(dòng)將接觸器線圈QA2通電（線圈填充顏色由黑色變?yōu)榧t色），主電路中QA2主觸點(diǎn)動(dòng)態(tài)閉合，電機(jī)MA開始反向（逆時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)。

步驟4：動(dòng)畫圖中右上部分的行程開關(guān)百分比進(jìn)度條顯示數(shù)據(jù)將由最左端的0%線性變大，直至增至100%，表示小車勻速反向運(yùn)行至最右端，碰觸到行程開關(guān)BG2。

步驟5：同理，控制電路中QA2控制回路中的BG2常閉觸點(diǎn)將動(dòng)態(tài)打開，自動(dòng)將接觸器線圈QA2斷電（線圈填充顏色由紅色變?yōu)楹谏麟娐分蠶A2主觸點(diǎn)動(dòng)態(tài)打開，電機(jī)MA停止反向轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，控制電路中QA1控制回路中的BG2常開觸點(diǎn)將動(dòng)態(tài)閉合，自動(dòng)將接觸器線圈QA1通電（線圈填充顏色由黑色變?yōu)榧t色），主電路中QA1主觸點(diǎn)動(dòng)態(tài)閉合，電機(jī)MA開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)。

步驟6：動(dòng)畫圖中右上部分的行程開關(guān)百分比進(jìn)度條顯示數(shù)據(jù)將由最右端的0%線性變大，直至增至100%，表示小車勻速正向運(yùn)行至最左端，碰觸到行程開關(guān)BG1；如此自動(dòng)反復(fù)循環(huán)。

步驟7：運(yùn)行過(guò)程中的任何時(shí)候，若在操作臺(tái)上按下“停止”或“過(guò)載”按鈕，控制電路中對(duì)應(yīng)的SF1或BB常閉觸點(diǎn)將打開，控制電路中元件線圈均失電、主電路中所有觸點(diǎn)（除開關(guān)QA0）均打開，電機(jī)停止運(yùn)行。

以上步驟需要說(shuō)明的是：①若首次按下的是“反向起動(dòng)”按鈕，則整個(gè)過(guò)程原理一樣，過(guò)程動(dòng)作方向的順序相反；②控制電路中，接觸器QA1和QA2動(dòng)畫顯示中，必須完全符合其互鎖要求；③控制電路中，BG1和BG2均為聯(lián)動(dòng)開關(guān)，動(dòng)畫“開合”動(dòng)態(tài)切換需要同步進(jìn)行。

4 結(jié)論

“電氣控制與PLC技術(shù)”課程對(duì)于培養(yǎng)和提升相關(guān)專業(yè)學(xué)生的理論結(jié)合實(shí)際、動(dòng)手實(shí)踐能力作用顯著，但由于諸多條件受限，對(duì)于復(fù)雜器件和控制電路的課堂教學(xué)中往往效果不佳。本文提出了一種基于Visual Graph圖形集成開發(fā)環(huán)境的動(dòng)畫設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了Visual Graph軟件特點(diǎn)和開發(fā)環(huán)境、本課程對(duì)于演示動(dòng)畫的需求分析和項(xiàng)目規(guī)劃，以及基于Visual Graph的演示動(dòng)畫設(shè)計(jì)案例實(shí)施。通過(guò)多個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)施，基于該動(dòng)畫教學(xué)法的課堂教學(xué)效果明顯，有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，使抽象的教學(xué)內(nèi)容變得足夠形象生動(dòng)，顯著增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的能力，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和電氣控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的解決能力得到很大提升。