基于三级应用模式构建高职PLC实验室＊

孟昕元，范 峥

（河南机电高等专科学校 自动控制系，河南 新乡 453000）

0 引言

可编程控制器（以下简称PLC）应用技术课程是高职高专电气控制类专业应用广泛、技术性强、涉及专业知识范围众多的一门重要的专业课程。它是联系诸如电机与拖动、变频器技术、检测与仪表技术、组态与监控、工业控制网络及计算机控制技术等多门课程的纽带。建立并使用好PLC实验室，某种意义上是电气控制类专业开设成败的关键。

在PLC实验室建设过程中，存在着一些问题。首先，多数高职高专学校实验室建设经费投入有限。其次，多数学校实验室建设存在盲目性。很多情况下是某个专项经费的突然下拨，要求在较短时间内完成方案论证及设备招投标，在论证方案时慌忙着手、草草了事。最后，也是最为重要一点，未能有效针对企业应用实际情况，建立的实验室所能开设的实验及实训项目与实际应用脱节。

本文从PLC在企业实践应用的三个级别分析入手，探讨PLC实验室构建模式。

1 PLC的三级应用模式

1.1 基础级应用：小规模单台套设备

小规模单台套设备是小型或紧凑型PLC应用的主力。这类设备主要由PLC、触摸屏、继电器、接触器、变频器、交流异步电机、旋转编码器等元器件组成，完成局部小范围内的自动化生产，如各种小型机械加工设备、木工机床设备等。某些特殊设备也可能会涉及伺服电机和直流调速电机的应用，如数控磨床等设备。此类应用应该是高职高专电气控制类专业的教学重点。

1.2 综合级应用：中小规模生产线

中小规模生产线是指物理上占地规模较小，存在为数不多的站点，每个站点由一台紧凑型PLC控制，完成生产线上某个环节的自动加工过程。各个站点之间可能需要传递简单的信息，但数据量相对较少。这类设备需要建立一个主从式局域数据通信网络，如西门子公司的PPI数据通信网络等。某些场合可能还会有智能仪表的应用，除上述内容外，还会使用到诸如RS485、Modbus等数据通信功能。此类应用也应是高职高专的教学重点。

1.3 专家级应用：大规模生产线

大规模生产线是指空间上规模庞大，工艺过程相对复杂，通信距离较远，通信数据量庞大的场合。如炼铁高炉、轧钢生产线等。此类应用中需要用到运算速度更快、逻辑处理能力更强的中型或大型PLC，使用工业现场总线或工业以太网构建通信网络。高职高专毕业生很难在就业之初就能参与此类大型生产线的设计、调试或维护工作，教学中应以介绍相关知识和一般应用方法为主。

2 PLC实验室构建方案

基于以上分析，实践应用中PLC存在三级应用的特点。考虑到高职高专人才培养方向自身特点，PLC实验室建设应遵从“逐级兼顾、重点突出”的原则。即实验室应首先着重突出基础级和综合级应用要求，并兼顾大型工业控制网络组态监控和控制的应用要求。

多年来，我校一直采用西门子公司生产的各型号PLC作为教学机型，本文讨论的实验室建设问题也以此为例进行阐述。

2.1 实验室布局图

实验设备分布形式采取教学蜂窝式结构（如图1所示）。每个蜂窝由6张实验台拼接而成，其中5套实验台使用小型PLC（S7-200）作为控制器，另外1套实验台使用中型PLC（S7-300系统）作为控制器。首先这种布局方式可以开展基础级应用教学。其次将5套实验台上S7-200PLC的通信端口用屏蔽双绞线相连接，可形成局部PPI通信网络；也可以使用RS485总线基本通信方式或Modbus通信协议实现数据通信；用1套S7-300PLC系统通过Profibus-DP总线与PPI网络中某1套S7-200PLC连接，可形成局部DP现场总线应用网络，开展综合级应用教学。一旦通过Profibus-DP总线或ProfiNet工业以太网将更多不同型号PLC或远程I／O端子相连接，就能开展专家级应用教学。另外，这样布局也便于教学组织和开展课堂谈论。

图1 实验室设备布局图

实验室配置控制设备展示墙。展示墙上安装1套S7-400PLC系统，及其他各型号PLC及远程I／O模块，衬以网络拓扑图片，可直观展现全系列控制器及相关设备。一方面便于教学，另一方面在见习参观时利于讲解。展示墙附近安排2套实际受控对象单元，使得控制过程有真实对象可依。此处实验室采用多级水箱水位控制系统和风光互补发电监控系统作为受控对象。

在实际教学中，每2名学生作为一个小组使用一套S7-200PLC实验台，每个蜂窝结构可供10人使用。实验室配置4个蜂窝结构实验台组，可满足40人标准教学班级的教学需求。在进行S7-300PLC系统教学时，硬件组态和软件调试可以在计算机上仿真调试。仿真调试完成后，每套蜂窝结构的1套S7-300PLC可分时供各个小组硬件调试使用。

2.2实验台操作面板介绍

为着重满足基础级实验要求，每张实验台配备了基本输入输出通道模块、触摸屏、变频器—交流异步电机模块、旋转编码器实验模块、PTO／PWM实验模块、步进电动机实验模块、交流伺服电机实验模块等（示意图见图2）。这些模块由我系教师设计，联合第三方集成商进行产品集成。通过各个实验模块的组合使用，可以模拟出基础应用级各种设备的工作过程。

图2 实验台操作面板布局示意图

2.3 实验室网络拓扑

整个实验室采用对等网结构构建局域网（如图3所示），将1台教师用计算机、24台实验台计算机、OPC服务器（也可设置在任一台计算机节点）、S7-400PLC、S7-300PLC、S7-200PLC、远程I／O节点等连接在一起，形成大规模生产线应用形式。

图3 实验室设备网络拓扑结构

通过OPC服务器，所有计算机可以获得两套受控对象的各个实时运行参数，完成组态监控工作。通过授权，任一台计算机可将网络组态信息和控制程序下载到网络中任意一套PLC控制器，从而模拟出实际大型专家级网络控制过程。

3 结语

本文基于PLC的三级实践应用模式提出了一种高职高专实验室建设方案，使用1套大型PLC、4套中型PLC和20套小型PLC及相关辅助设备建立了一套功能完备、分级别面向应用及教学的实验室。解决了建设经费投入有限前提下如何更深层次、更细致级别发挥PLC实验室功能的问题，实践应用中取得了良好的教学效果。

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