新工科背景下独立学院PLC实验教学典型案例研究

田辉辉，张兴达，刘倩，朱绍伟

（济南大学泉城学院，山东烟台，265600）

0 引言

随着国家《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》文件的形成，新工科教育提出战略性的要求发展培养“五个新”人才，结合独立学院的特点，旨在服务社会，培养应用型工程人才，我校机械和电气专业紧随国家发展，调整专业培养方案，许多课程进行了调整设计，其中《电气与PLC控制技术》、《电气控制技术》、《可编程控制器》课程在理论授课和实验教学中都进行了相应调整，由于目前工程实际中的工业自动化现场，不再只是简单地人工操作，而是控制机构与工业计算机共同构成监控系统交互来完成整体生产任务，因此我们在实验环节摒弃单纯使用PLC而是设计出一套基于PLC与组态的实验教学系统，让学生们能够更加直观地学习和感受工业自动化的现场情况。为学生们能够更近距离的接触生产实际要求提供条件。教学实验系统分为多个模块项目由简单到复杂，使学生们能够逐步掌握并进阶高难度学习。下面将以典型案例项目—基于PLC与组态的十字路口交通灯为例进行简单的介绍。

1 十字路口交通灯系统介绍

该系统主要包括上位机组态屏监控端、PLC模块、手动控制模块和十字路口交通灯实际现场端，其结构简图如图1所示。组态触摸屏端完成远端十字路口交通灯的实际情况实时监视和控制功能，使工作人员不在现场也能看到实况，并且能够进行相应的控制操作，及时解决现场问题；PLC端根据程序完成交通灯系统的整体运行，并可通过手动控制端对现场交通灯运行情况进行控制。

图1 基于PLC与触摸屏的十字路口交通灯监控系统结构图

2 PLC端控制系统的设计

PLC端采用西门子S7-200 CPU224进行设计，包括硬件电路和软件功能编程两个方面。下面给出了基于PLC与触摸屏的十字路口交通灯监控系统的控制要求。

首先，该系统要求应该具有控制交通灯启动和停止的按钮；然后，白天模式，模拟正常某十字路口交通灯的循环模式，当按下启动控制按钮后，交通信号灯的工作状态转换按照以下所示进行（其中R代表红灯，G代表绿灯，Y代表黄灯）：整个过程模拟时间为60秒的循环运行，前30秒内，东西方向上的R点亮30秒，在R点亮的30秒内，南北方向上的G先是亮灯25秒，然后再按秒进行闪烁3次共计3秒后熄灭，然后南北方向上的Y点亮2秒后熄灭，到达30秒后的东西方向R熄灭，紧接着的后30秒，东西方向上的G先是亮灯25秒再按秒进行闪烁3次共计3秒后熄灭，然后东西方向上的Y亮2秒后熄灭，与此同时的这30秒内南北方向的R一直处于点亮状态，这便是一个周期。完成一个周期后，交通信号灯监控系统便依次循环上述过程。当按下停止控制按钮后，所有亮着的灯同时熄灭。夜间模式：基于生活中常见夜间模式为前提，将该模式设置为—黄灯按秒进行闪烁点亮显示。

根据控制要求，确定PLC端控制接线情况，其硬件控制接线图如图2所示，该部分完成交通灯与PLC的系统搭建，形成下位机控制执行机构，为交通灯运行构建平台。交通灯系统的I/O分配情况为，PLC输入端：I0.0启动控制端，I0.1停止控制端；PLC输出端：Q0.0指示南北方向绿灯，Q0.1指示南北方向黄灯，Q0.2指示南北方向红灯，Q0.3指示东西方向绿灯，Q0.4指示东西方向黄灯，Q0.5指示东西方向红灯。

系统控制要求、I/O分配及硬件接线确定之后，就开始着手软件设计。软件部分，PLC端程序通过STEP7-Micro/WIN软件结合控制要求和I/O分配进行设计，并加入M区的使用为使用组态屏做好准备。学生在实验室根据老师的指导能够自主进行程序的编写设计并进行硬件的连接搭建，并鼓励学生们在此基础上进行控制系统的自我开发优化等操作，以此培养自主设计能力。

图2 十字路口交通灯PLC端控制接线图

3 组态触摸屏端设计

组态（Configuration），是用软件中提供的工具、方法，搭建构造完成工程中某一具体任务的过程。与硬件生产相比，组态有更大的自由灵活度。通过搭建设置组态相关原件模块可以完成虚拟实物情景，通过与PLC等设备相结合，设置数据通道，对M区进行设置，当然前提是在PLC端程序也要进行组态区设置连接，才能实现触摸屏端运用组态实时采集显示现场情况，并完成对实际远端现场的操控。

交通灯系统组态设计包括界面的构建，元部件按钮属性等的设置，数据通道的连接，相应动画的编辑等。通过组态触摸屏能够实时监视查看十字路口交通灯的情况，并可以进行控制。图3给出了一个简单监控界面。图4给出了部分动画设置程序截图，在实验时学生们不仅能够在PLC端看到和控制交通灯，更能够通过设置组态来模拟远端进行监控，类似于工厂自动化操作触控一体化监控情境，这样能够更好地让学生感受工业现实，提高他们的工程意识，让他们领悟到学习PLC不仅仅要对PLC的软硬件环境进行掌握研究，同样更要贴近工业现实，结合组态触摸屏一起学习，以期达到综合素质的提升。

图3 十字路口交通灯简单组态监控界面

图4 十字路口交通灯监控运行模拟动画部分编程界面

4 系统综合通信测试

通过PC/PPI电缆线将在计算机STEP7-Micro/WIN软件中编辑的程序下载到PLC，通过USB线将计算机的组态软件中编辑的组态监控界面下载触摸屏，将PLC与屏相连，连接好交通灯外部硬件接线，开启监控，分别在屏端和通过现场按钮启动交通灯系统，观察系统运行情况，然后经过一段时间，分别在屏端和通过现场测试停止按钮。经过测试系统运行良好。

运用该系统进行教学，大多数学生能够获得很好的学习效果，在最终的考核中学生动手能力和对基础编程有了更加直观认识和体会，因此教学取得良好效果。

5 总结

本文通过十字路口交通灯实例讲解，体现出在教学中通过开发的教学系统将触控一体化的思想融入到教学实验中去。运用PLC与组态一体化监控系统进行教学研究，让学生们在校期间能够接触到现实工程控制中的设计思想，逐渐培养学生的工程意识，使他们能够接触目前实际自动化生产的“模型”，为更好地培育新工科人才，结合智能化工程新型人才培养要求提供了很好的方式方法示范，也为培养独立学院学生应用型人才要求给出了简单案例示教，使学生们将能够更加顺利的与社会接轨，完成身份的转变，更好的服务社会，承担起创建新型社会的责任。

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究.2017,(2)：1-6.

[2]尹晶,张晶,乔良等.独立学院创新能力培养探究[J].实验室研究与探索，2016，35(7)：190-193.

[3]田辉辉,王熙,林二东.CAN总线在大豆精播机播种监测系统中的应用[J].农机化研究. 2015,52(1)：223-227.

[4]胡金山,王熙.基于PLC、MCGS组态技术的北方寒地温室环境监控系统设计[J].安徽农业科学,2015,43(10)： 510-512.