“PLC控制技术”实践教学项目研究

柏艳红，李 虹

(太原科技大学电子学院，山西太原 030024)

“PLC控制技术”是自动化和电气工程及自动化专业的主干专业课之一，具有很强的应用性和实践性，其实践教学起着举足轻重的作用［1］。为了培养学生的工程应用能力，顺应高校“卓越工程师教育”和“工程教育专业认证”要求，适应当今社会对PLC控制技术人才的需求，我校建立了以西门子公司产品为主的自动化工程训练中心，配备有西门子公司在工业控制领域的主流控制产品，还配有一些实物对象或者实物模拟对象［2］。

为充分挖掘训练中心现有设备的功能，提高设备利用率，需要建立“PLC控制技术”实践教学体系，包括制定训练项目和训练内容、开发应用案例、编写项目任务书或指导书、制定实训教学计划等方面。其中，训练项目的制定是其它各项工作的基础。本文基于现有硬件设备资源，依据“PLC控制技术”教学大纲的要求，结合PLC典型工程应用案例，开发“PLC控制技术”实践教学训练项目。

1 硬件资源

训练中心现有硬件设备分为五类:①S7-200 PLC多功能实验台;②S7-300/400 PLC及分布式I/O从站;③触摸屏、装有CP5611通讯卡和 CP1613以太网卡的工控机等人机交互设备;④工业通讯网络设备;⑤配有控制器或变频器的交/直流电机、起重机模型、机械手、电热锅炉、模拟交通灯控制对象。

S7-200 PLC多功能实验台配备有模拟量输入输出、DP通讯、以太网通讯等扩展模块，以及文本显示器、继电器和指示灯等电器元件，还有步进电机驱动的直线滑台、变频器驱动的交流电机等被控对象。

基于现有的硬件设备，可以完成很多贴近工程实际的训练项目。控制对象和PLC可以自由组合，PLC之间可以组建网络，工控机和触摸屏也可以与PLC共同组建不同对象的监控系统，还可以构建基于工业以太网和PROFIBUS-DP的工业控制网络。下面按硬件设备分三大部分讨论训练项目的制定。

2 基础训练项目

训练中心的多功能实验台能够进行基础训练项目。利用多功能实验台上和台外的控制对象，构成各种单机控制系统。根据它们在实际系统中的应用，可以制定多种训练项目。

本节分四类讨论基于多功能实验台的训练项目制定，包括异步电机变频调速类、步进滑台定位控制类、实物对象类、监控和网络控制类。

1)异步电机变频调速类

异步电机变频调速在各种机电设备、自动化生产线、过程控制领域广泛应用，尽管对变频调速的要求不尽相同，但归纳起来常用的主要有四大类:①多段速调速;②按设定波形无级调速;③按设定速度无级调速;④多台电机协调运行。

根据这四类变频调速要求，制定了变频调速训练项目，见表1。

表1 异步电机变频调速训练项目

训练项目共有5项，它们结合常用的速度设定方式、速度检测/显示方法以及速度切换方式，给出了不同方案［3～5］。

2)步进滑台定位控制类

步进电机驱动的直线滑台也是各种机电设备、自动化生产线广泛应用的一种装置，用于定位控制。如:某自动生产线采取步进电机驱动搬运站的机械手装置整体运动，步进电机的运动过程依次为原点、供料站、加工站、装配站、分拣站、原点五个运动过程的循环，为多点定位，为满足定位精度和速度要求，采用加速启动、匀速运行、接近定位点时的减速停车的变速运行方式，通过脉冲数实现定位;某药柱切片机系统的工作台由步进电机驱动，用于夹紧药柱，运行时，工作台向前走一片厚度的距离停止，切刀完成切片后，工作台再进一片厚度尺寸，如此循环工作，直至完成设定切片数，为低速运行多点定位，采用脉冲数实现定位;某物料搬运机械手由步进电机控制沿X轴与Y轴运动，要求两台电机顺序动作［6-8］。另外，各设备都要求有回原点功能和点动运行功能，这两种情况都采用低速匀速运行，回原点控制采用行程开关定位，点动采用按钮控制定位。

综合各种设备或生产线中定位控制的要求，主要有三类:两点往复运行、多点定位、多台电机顺序或协调动作。根据运行速度和定位精度的不同要求，定位方式有低速匀速运行脉冲数定位、低速匀速运行行程开关定位、高速变速运行脉冲数定位和高速变速运行行程开关定位四种。根据上述定位控制要求，制定了步进滑台训练项目，根据定位切换方式，给出了一些选择方案，见表2。

表2 步进滑台定位控制训练项目

各项目可选择匀速脉冲数定位、匀速行程开关定位、变速脉冲数定位、变速行程开关定位等不同定位方式，可以选择速度和位置固定或者采用TD400设置。

3)实物对象类

在S7-200PLC多功能实验台上，针对各控制对象的可选择方案制定了训练项目，见表3。各项目可选择采用TD 400监控或者按钮控制。

表3 s7-200 PLC实物对象训练项目

4)监控和网络控制类

PPI网络具有成本低、编程容易和可靠性高等特点，常用于小型自动化网络控制系统。如某自动配料生产线控制系统中，以一台S7-200 PLC为主站，通过PPI通信方式管理3个S7-200 PLC从站。每个从站配有TD400C，监控7种原料的重量及相关信息;主站配有触摸屏，显示整个系统生产信息，控制生产过程［9］。

PPI网络控制系统主要结构功能为:一台PLC主站管理多台PLC从站;触摸屏人机界面或上位机与主站通讯从而监控整个系统运行，如图1所示。

图1 PPI控制网络结构

根据实际系统控制要求和设备布局，每个从站可以配备文本显示器或触摸屏人机界面。PLC主站可以在现场，也可以在主控室(通讯距离在50 m内)。采用上位机监控时，监控软件可以选择组态王、MCGS和WinCC等组态软件，也可以选择VB、VC和LabVIEW等高级语言编程。

PPI网络控制系统涉及的内容较多，有PLC之间的PPI通讯、PLC与上位机的通讯、组态软件使用、触摸屏/文本显示器的组态和各从站控制程序等，这里采用单元训练和综合训练相结合的方式制定训练课题。对于从站单机控制系统，前面已经制定了训练项目，本节不再考虑。

当通讯距离较长、系统规模较大、要求实时性较强时，网络控制系统通常采用基Profibus现场总线的一台上位计算机监控多台PLC从站的网络结构，上位机与每台PLC直接通讯［10］。

结合实验室现有条件，制定的关于网络控制的训练项目见表4。

表4 s7-200 PLC监控和网络控制训练项目

3 高级训练项目

本科生开设的“PLC控制技术”课程重点讲授的是S7-200 PLC基本原理和应用，高级训练项目的目的是使学生在短时间内掌握应用广泛的S7-300/400 PLC。

高级训练项目在S7-300/400 PLC实验台上进行。与该实验台配套的有4套变频器驱动的异步电机和2套直流控制器驱动的直流电机，结合台外实物模型对象，制定了S7-300/400 PLC训练项目，包括:电机调速监控系统、起重机监控系统和机械手监控系统。

根据人机界面、组态软件和通讯协议的不同，可构成多种选择方案。人机界面可选择触摸屏或上位机;组态软件可采用WinCC、组态王和MCGS等;通讯方式可采用MPI、FROFIBUS和以太网等。

4 自动化网络控制系统训练项目

西门子PCS7过程控制系统开发平台提供全集成的STEP7和WINCC，提供连续控制功能图、顺序控制功能图、控制系统库等适合过程控制的软件包，采用统一的组态、通讯和数据管理功能，广泛应用于电力、冶金、化工、制药等工业自动化领域［11-13］。利用实验室的S7-400/300/200 PLC、ET 200M、现场总线和以太网，可以组成从简单到复杂不同规模的PCS7网络，结合各种电机和实物被控对象，制定了基于PCS7的自动化网络控制系统训练项目，包括:机械手控制系统开发、起重机控制系统开发、交通灯控制系统开发、多台电机运行监控系统开发以及多台设备运行监控系统开发。

根据系统网络结构形式的不同，每个项目具有多种选择方案，如:操作员站+S7-300/400 PLC自动化站+ET 200M从站，操作员站+S7-400 PLC自动化站+多ET 200M/S7-200/S7-300从站，操作员站+多S7-300/400 PLC自动化站+多ET 200M/S7-200从站等，多操作员站+多S7-300/400 PLC自动化站+多ET 200M/S7-200从站等。

5 结语

本文介绍了“PLC控制技术”实践教学训练项目:基于S7-200 PLC多功能实验台的基础训练项目，除了网络控制系统项目作为毕业设计课题外，其余均在课程设计中完成。基于S7-300/400 PLC的高级训练项目和综合自动化网络控制系统训练项目均作为毕业设计课题。所有训练项目都可以用于对PLC有兴趣的大学生和研究生的课外学习。

大部分训练项目已在近年来的教学中获得应用，收到良好的教学效果。学生在开放的、先进的实验设备上进行实验，激发了学习兴趣和主动性，动手能力和创新能力都得到提高，同时培养了学生的工程应用能力。

［1］魏艳红，许昌，王桂荣，张远辉.PLC课程实验教学改革与探索［J］.南京:电气电子教学学报，2014，36(3):93-95

［2］罗正祥.工程教育专业认证及其对高校实践教学的影响［J］.上海:实验室研究与探索，2008，27(6):1-3

［3］沈玉梅.PLC和变频器在龙门刨床主拖动系统中的应用［J］.南宁:装备制造技术，2011(11):48-50

［4］田亚娟，郭丽颖.变频恒压供水PLC控制系统的设计［J］.长沙:计算技术与自动化，2010，29(1):25-28

［5］吴伟，邬冠华，喻金科.基于RS485的PLC与多台变频器通信的实现与应用［J］.天津:自动化仪表，2005，26(9):55-57

［6］黄宁.S7-200 PLC在自动生产线中的应用［J］.哈尔滨:自动化技术与应用，2009，28(9):86-89

［7］赵辉，张仁杰，肖辉.基于PLC控制的药柱切片机系统［J］.太原:机械工程与自动化，2013(8):144-145

［8］李勇成.基于PLC的步进电机控制在工业机械手中的应用［J］.济南:科技信息，2008(12):30-31

［9］惠健.一种基于PPI通信的自动配料生产线控制系统的设计［J］.南京:中国农机化，2012(5):150-152

［10］钟志峰.基于现场总线技术的炼钢转炉蓄热式钢包烘烤器系统［J］.西安:工业仪表与自动化装置，2007(5):54-56

［11］王海明.过程控制系统PCS7在化工精苯生产控制中的应用［J］.鞍山:鞍钢技术，2002(5):17-20

［12］周庆.PCS7过程控制在工业汽轮机控制系统中的应用［J］.广州:机床与液压，2009，37(8):175-176

［13］李晓波，郭艳萍.Profibus现场总线在冷库监控系统中的应用［J］.北京:电气应用，2006，25(1):114-116