基于PLC的过程控制系统实验模块开发

沈亚斌++赵涛

摘 要 设计基于PLC控制器的过程控制实验模块，可结合PLC、PLC模拟量扩展模块等构成便利性、实用性很强的综合实验系统，能满足过程控制、PLC课程的实验教学要求，可使学生加深对过程控制系统、PLC控制、PID技术等知识的掌握。目前该实验模块已获国家发明专利。

关键词 过程控制系统；PLC；实验装置

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）02-0041-02

Development of Process Control System Experiment Module based on PLC//SHEN Yabin， ZHAO Tao

Abstract The process control experimental modules designed based

on PLC controller in this paper can be combined with PLC， PLC analog extended module to form the integrated experiment system with convenience and practicality， it can meet the requirements of process control， PLC experiment teaching， can make the students deepen their grasp of knowledge in process control system， PLC control， PID technology. At present the experiment modules have been awarded national invention patent.

Key words process control system； PLC； experimental device

1 前言

過程控制是一门理论与生产实际结合紧密的自动化专业课程，具有很强的工程实践性，相应的过程控制实验是本课程重要的教学环节。学生通过实验，可以了解各种过程控制仪表（包括检测元件及变送器、调节器和执行器），掌握过程对象的建模方法和过程控制系统的设计方法（包括系统构建、控制算法设计、控制参数整定等），并对计算机过程控制系统有一定的了解及掌握。

南京工程学院为提高学生的理论素质、实践能力和改善就业，用大量资金购置多套专业实验装置。过程控制实验室原先采用的是浙大中控10多年前的SUPCON JX-300 DCS系统，配上基于工业过程的物理模拟对象系统，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈—反馈控制、比值控制、解耦控制等多种控制形式。但由于使用年限较长，技术陈旧，且系统站点通信也不可靠，给实验的正常开展及实验效果带来很大影响。

学校近年添置一套南京科远自动化NT6000 DCS系统，但该系统没有配备物理控制对象，只能在DCS的工程师站上进行模拟组态和运行，使得学生不能通过实验真实体验实际工业生产过程控制的具体流程，不能帮助学生真正建立过程控制系统的概念，存在理论和实践脱节的问题。

以上两种基于DCS的实验系统都属于站点多（包括现场控制站、工程师站、操作员站等）的大型装置，占用实验场地大，添置、改造成本高，实验的灵活性、便利性较差。另外，PLC作为工业自动化的三大支柱之一，由于其技术的发展、性能的提高、组网通信功能的灵活，现已广泛应用于过程控制领域，与过程控制的结合愈发紧密。为此，研究开发一套基于PLC控制器的混合信号实验模块。该模块既可作为过程控制系统课程的教学实验装置，又可作为PLC课程的实验控制对象，分别进行开关量和模拟量控制的多个实验，减少专业实验装置的投资，有效提高装置的利用率和实验的便利性。此外，在该实验模块基础上还可进行设计性拓展，有利于培养学生的动手能力、创新意识和科研素质。

2 实验模块设计

系统框图 设计的基于PLC控制器的过程控制实验系统框图如图1所示。该实验系统由PLC、实验模块（PCB板）、PLC模拟量扩展模块等构成，是一套便利性、实用性很强的实验装置，能满足过程控制、PLC课程的实验教学要求，还可为学生加深对过程控制系统、PLC控制、PID技术等知识的掌握，建立明晰的系统概念。

实验系统各部分说明 由实验模块作为主要受控对象构成的实验系统主要包括模块PCB板、PLC控制器和PLC模拟量扩展模块：PCB板包括DC-DC电路、信号给定及被控对象电路（模拟PI调节模块和模拟二阶被控对象模块）、数字信号输入输出电路、译码锁存及数码显示电路、PCB板输入输出接口、第一端子排和第二端子排；PLC控制器包括电源电路、PLC控制器输入输出接口和中央处理单元；PLC模拟量扩展模块包括PLC模拟量扩展模块输入输出接口。数字信号输入输出电路、译码锁存及数码显示电路和PCB板输入输出接口均通过第一端子排与PLC控制器输入输出接口相连接，信号给定及被控对象电路通过第二端子排与PLC模拟量扩展模块输入输出接口相连接。

实验模块的特点 采用通用化设计，PLC主机及其模拟量输入输出模块完全可以根据用户要求自行配置，如西门子、三菱、欧姆龙、松下、台达等，适应性强；功能全面，实验项目丰富，结合过程控制和PLC的经典控制实验，可以丰富目前高等院校过程控制及PLC实验教学内容；成本低廉、输入输出接口通用、使用灵活方便、扩展灵活、易于维护、占用PLC资源少，方便教学实验，具有良好的应用前景。

3 实验项目的开发

基于PLC控制器的过程控制实验模块，作为模拟被控对象，结合PLC及PLC的模拟量输入输出模块，既可以做诸如多路信号巡回检测及数据处理、基于PLC的数字PID闭环控制、显示及报警等传统过程控制的实验，也可做诸如带倒计时的交通信号灯控制、顺序控制、多路彩灯控制等经典PLC实验，功能全面。

基于PLC的巡回检测及数据处理实验 由PCB板上的信号给定模块提供两路模拟实测物理量，经PLC（以西门子S7 200 PLC为例）模拟量扩展模块（型号EM235）定时采集输入，与内给定值进行比较，输出相应切换信号，并且可以设定物理量的上下限值进行越限报警，同时实现实测物理量的显示。

基于PLC的PID闭环控制实验 可通过PCB板上的调试开关连接模拟PI调节模块102c和模拟二阶被控对象模块102b，模拟二阶被控对象模块102b的输出量通过PLC模拟量扩展模块（型号EM235）输入，通过信号给定模块102a改变给定值，通過模拟对象输出量的显示观测PID闭环调节的过程，可以通过实验比较模拟PI调节与PLC的数字PID调节的效果。

基于PLC的交通信号灯控制系统 由PCB板上的16个LED指示灯分别模拟十字交通路口的12个红、黄、绿指示灯和4个路口4辆汽车的行止状态，由PLC的数字量输出口进行控制，东西、南北向的交通控制时间可由数码管进行倒计数显示。另外，若将12个红、黄、绿LED指示灯分成3组，就可模拟进行不同要求的彩灯实验；还可将16个LED灯分组模拟不同对象，进行各种顺控实验。

4 结语

采用基于PLC的过程控制系统实验模块，丰富了过程控制系统和PLC两门课程的实验项目和实验内容，可以方便地组成多种控制实验，模块结构配置简单、灵活，综合性强、性价比高。该模块将开关量、模拟量采集与控制结合起来，充分模拟工业控制实际。通过该系统可以使学生对过程控制系统和PLC控制有比较全面的认识和理解，更重要的是能让学生将过程控制和PLC的理论知识与工程实践得到很好的结合，实现把多种专业知识在实验环节中交叉、融合，为解决目前高校过程控制教学实验设备陈旧落后的问题提供设计思路，具有良好的实践意义。■

参考文献

[1]王化冰，王彦辉.过程控制综合试验系统的设计与研究[J].中国现代教育装备，2006（12）：68-70.

[2]邱伯平，喻寿益.PLC在过程控制系统实验装置中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化：PLC FA，2005（3）：78-81.

[3]康珏.过程控制实验装置改造方案探讨[J].科技信息，

2009（21）：123-124.

[4]杨马英，李敏，陈伟锋.“过程控制系统”课程的实验教学改革[J].电气电子教学学报，2015（2）：106-108.

[5]黄宜庆.《过程控制系统》课程教学和实践环节的改革与创新探索[J].科技视界，2014（5）：25.

[6]沈亚斌，赵涛.基于工程应用的“过程控制系统”课程的教学重构[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2013（5）：

38-40.