基于pLC缩比运料模型实验平台设计

徐 航，黄仲平，沈 烨，邹彤阳

（四川大学 电气信息学院，成都 610065）

基于pLC缩比运料模型实验平台设计

徐 航，黄仲平，沈 烨，邹彤阳

（四川大学 电气信息学院，成都 610065）

依托四川大学pLC实验教学平台建设改造项目，设计与实现了一套满足教学与科研需求的PLC程控缩比运料小车模型的实验平台。该实验平台综合运用了软硬件结合程控负载的现代控制理论、仿真技术、PLC应用技术、USB通信技术和工业控制原理等方面知识，为教学和科研奠定了良好的软硬件基础，能充分满足学生在实验室进行pLC控制各种常用负载的要求，具有重要的教学和科研意义。该文着重研究和讨论了实验系统硬件和软件部分的设计思想、具体实现方法以及平台改造价值。

程控负载；控制理论；软硬件结合；改造价值

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.022

PLC课程不仅是教给学生软件编程方法，更重要的是帮助学生建立起实际的pLC控制系统概念，使学生正确掌握pLC控制系统的组成、各部分作用及相互关系，为学生在今后的pLC技术应用方面打下扎实的基础［1-3］。相比传统的继电器控制实验，PLC控制实验由于其突出的工程性和广泛的应用性，对培养学生良好的工程意识、较强的实践能力、敏锐的创新能力和较高的综合素质均具有举足轻重的作用［4-5］。

当前理工科高校均开设了pLC课程，实验教学是该课程的重要环节，但大多数高校在课程教学上均存在着实验教学设备投资不能满足当前pLC课程教学实验环节需要的问题［6］。针对此问题，四川大学电气信息学院自行设计了pLC程控缩比运料小车模型的实验系统。该系统充分利用了实验室现有计算机、缩比运料小车负载、交流电动机与PLC实验装置等资源，构建了具有较强教学与科研功能的PLC实验系统。

1 交流电机实验平台改造

基于我校研究型本科教学的定位，结合卓越工程师培养计划的要求以及现代社会发展对人才的需求情况，我校对传统的控制实验平台进行了改造［7］。传统的控制实验平台主要采用各种继电器、传感器以及电动机完成一个简单的控制电路；随着教学、科研以及人才培养要求的发展，传统的电机实验平台已不能满足要求［8-10］。我校对电机实验平台的改进方案是在传统的实验系统上加入仿真实验系统和虚拟实验系统，既突出了重点，又强化了实训，同时兼顾了科研。本文重点介绍pLC实验平台改造方案，以及平台改造的成果和意义。改造框图如图1所示。

图1 综合创新传动实验平台改造框图

传统传动实验系统需要配置一定数量的设备和仪器，在运行过程中还有相关的实验产品和耗材，如图2所示，主要由三相电源、交流接触器、热继电器、时间继电器、开关、接线柱以及交流电动机等组成［11］，通过各种继电器的配合使用来控制电机的不同状态，完成相应的动作。

这种实验平台虽然可见性和操作性较强，但由于受实验设备数量、实验产品及耗材、指导教师以及实验学时等因素的限制，实验教学一般只能分组进行［12］。实验过程中学生动手操作实验设备和仪器的机会较少，多数学生是在看实验而不是在做实验，教学效果不理想；而购置大量实验设备需要大量的资金；同时，这种实验模式单一，并不能很好地锻炼学生的创新思维。

图2 电机运动控制线路图

四川大学作为教育部直属重点高校，在实验室的建设上一直坚持改革，将传统的基础实验与现代控制理论相结合，开发研究型、综合型实验题目。比如实验室将传统的继电器实验进行改造，改造流程如图3所示。图4是电机控制缩比运料小车的实物图。

图3 运动控制实验平台改进方案

图4 电机控制缩比运料小车的实物图

1.2 仿真实验系统的构建

随着实验教学发展的需要，在传统的实验平台上通过改进实验设备，并且加入仿真实验系统和虚拟实验系统是十分必要的［13］。软硬结合，在学生搭建硬件电路并测试出结果后，鼓励学生使用相应的仿真软件进行再次分析，在更好地理解实验的同时掌握相应软件的使用。在实验教学中加入仿真系统有以下好处。

1）仿真实验室在教学过程中的应用模拟了现实中的可控对象，需要的硬件设施少，仅需要配置计算机和可编程控制器，可以充分利用教学场地为更多的学生服务。

2）可编程控制器具有良好的稳定性，模拟的可控对象可做到零损耗，减少了实验耗材的投入。

曾宪威还表示，推动小区建设电动车集中停放、充电区，建设满足消防要求的电动车充电设施，消除消防安全隐患，将是下一步的工作重点。此外，要依托社区消防宣传大使队伍，在各住宅小区高频次开展社区消防宣传活动，组织消防志愿者进社区、进家庭，“大力普及消防安全知识，切实增强居民消防安全意识，全面提升消防队伍防火灭火能力，以实际行动交上一份合格的答卷”。

3）被控对象在计算机上通过动画进行逼真地展现，避免实际对象在工作过程中因移动、升降和旋转等动作带来的危险，提高了安全系数。

4）可以使学生更加灵活地设计实验，可以有效锻炼学生的创新思维。在完成过程控制的同时，加强理解计算机与控制器之间的通讯方式以及软件程序的编写技巧。

实验室在加强仿真实验系统构建的同时也在积极开发虚拟实验系统，可以让学生进一步了解数据传输以及自动化控制原理；同时学生可以在宿舍远程完成传动控制实验，这既可缓解实验室课程安排的压力，也方便学生在预约的前提下可以任选时间完成实验。虚拟实验系统和虚拟实验室都有很强的实用性和推广型，也得到了学校的大力支持。

2 PLC运动控制平台硬件电路设计

2.1 实验平台硬件组成

与传统的继电器控制相比，PLC在三相异步电动机控制中的应用具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点，因此实验室用pLC控制代替现有的继电器控制平台。基于PLC的缩比运料小车模型控制实验平台主要包括两大部分: 1）仿真部分，采用一台电脑作程序仿真，并与PLC实验箱相互通信；2）电气控制部分，包括PLC实验箱和中间继电器转接板，根据梯形图控制负载完成相应的动作。本次实验平台改造所用的负载是缩比运料小车模型，如图5所示。

图5 缩比运料小车模型

2.2 驱动电路设计

PLC实验箱可以直接控制小的电磁阀，流水灯以及电梯缩比模型等小功率负载；但其带负载能力有限，并不能直接驱动大功率负载。本次实验改造用的负载是型号为YS-7114的三相交流电机以及缩比运料小车模型，其功率均大于300 W。为安全考虑，需在pLC实验箱和负载之间加入中间继电器，电路如图6所示。

图6 中间继电器驱动电路图

2.3 保护电路设计

电动机控制线路中，一般安装三刀开关、控制保险、控制按钮、组合开关、万能转换开关、热继电器、自动空气开关、中间继电器等多种电器保护元件，它们的主要作用是当电路因误操作出现瞬间大电流时，对控制器以及负载进行保护。作为学生进行实验的学习平台，出现误操作或错误接线是不可避免的，因此保护电路的设计是实验平台改造中必须重点考虑的问题之一。保护电路框图如图7所示。

图7 运料小车平台保护系统框图

从图7可以看出本实验平台主要有3重保护措施:1）配电柜处的空气开关；2）高压实验台的瓷质保险；3）PLC实验箱与缩比运料小车模型之间的过热继电器和中间继电器组。3处保护措施在电路中是串联的方式，当学生出现操作失误、错误接线等故障时，3处保护措施任意一处动作，都可以保护学生的人身安全。

3 PLC控制代替传统的继电器控制

3.1 编程代替硬件电路

继电器控制平台是由许多真正的硬件继电器组成的，可靠性不高且实验模式单一。PLC是由许多“软继电器”组成的，这些“继电器”实际上是存储器中的触发器，可以置“0”或置“1”，使控制方式更加灵活，更有利于锻炼学生的动手能力和创新思维。

以缩比运料小车的继电器控制电路为例，说明继电器控制和PLC控制之间的转换。图8（a）是缩比运料小车模型控制部分的电路图。控制电路部分采用双保险设置，交流接触器和时间继电器控制小车不同的运动状态，热继电器串联在电路中，当电路出现短路故障时会自动断开主电路，起到保护作用。PLC控制对应的梯形图如图8（b）所示，其中对应的I/O关系是:输入SB对应X输出KM对应Y。

图8 继电器控制转换为PLC控制梯形图

由图8可以看出，采用梯形图可以通过适当设置中间环节（辅助继电器M1），使程序更加简洁；元器件使用没有数量限制，通断状态也不构成硬件成本；设计更加灵活，更有利于对学生创新思维的培养。

3.2 软件程序代替硬件延迟

在学校的实践周活动中，学生用时间继电器来完成电动机的延时启动。在这个过程中，频繁地出现时间继电器损坏的现象，究其原因，可能是触点通过电流过大、线圈电压过高或学生调节延迟时间旋钮不当等因素引起。将实验平台改造为pLC控制可以有效解决这一问题。在PLC控制中，只需要用相应的定时器代替时间继电器就可以了；这是PLC的基本功能，无论哪个型号的pLC都具有时间延迟的功能。

比如运料小车的清洗功能需要在卸料动作完成后延迟1 s启动，这时可以选择一个定时器线圈，一般代号为（T1、K10），其中T1说明这个线圈是定时器，计时基数是100 ms，K10是计时时间，就是可以延迟10×100 ms=1 s。当运料小车完成卸料动作后，线圈通电延时1 s后导通触点，继而运料小车才开始清洗的动作。

4 平台改造的价值

4.1 让学生进一步了解工业控制

创新实验平台把实验教学和工业发展的需要相结合，是培养学生动手能力、解决问题能力以及探索精神的有效途径。将实验室课程与工业控制有效地结合，可以让学生提高动手能力的同时理解现代工业控制，更有利于培养社会需要的人才。缩比运料小车模型与现代工业控制的对比如图9所示。

图9 运料小车与生产线对比图

4.2 提高学生对实验课的积极性

将基础实验与创新实验相结合，提高动手能力的同时，设计了一些与工业控制、电路设计、行业发展相关的实验，取得了很好的效果。

1）使学生直观看到电路电工实验与技能的价值是与工程实践紧密相连的，从而提高了学生对电路电工实验的积极性。

2）通过实验改造，学生创新能力得到培养的同时也对工程实践有了一定的认识，为培养学生的工程素质奠定了基础。

3）通过组织学生开展产学研活动，教师和实验员的科研能力也得到了有效提高；同时也为实验室的建设与发展赢得经费创造了条件。

4.3 逐步对实验室进行改造

现阶段实验室建设最主要的目标是不断满足日益增加的科研需要，在经费难以增加的情况下，如何应用现有设备或对现有设备进行改造，实现最大的科研价值和提高学生的创新能力是值得深入思考的问题。此次实验改造项目对原有的电机实验平台进行改造，用缩比运料小车模型代替原有的电动机，控制电路也用更加灵活的pLC代替各种继电器，既能更好地锻炼学生的综合能力，又对实验室进行改造，使其更加符合学生职业发展规划的要求。

5 结束语

随着技术的普及、市场竞争的日趋激烈以及对学生创新精神培养的需要，PLC控制技术在工业控制与实验室教学中的应用越来越广泛。本次教学改造项目将pLC控制技术与缩比运料小车相结合，利用实验室现有资源，既完成了控制平台的整体提升改造，同时也使电工实验的传动实验课程更加接近工业控制领域的实际需求；不仅为电工实验教学提供了一条新的途径，而且能大大提升学生学习专业技术的兴趣，为提高学生创新思维打下了良好的基础。

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Test Platform Design of a Scaled Transporter Model Based on PLC

XU Hang，HUANG Zhongping，SHEN Ye，ZOU Tongyang
（School of Electrical and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Depending on the construction of schools PLC experimental teaching platform of the project，this paper designs and implements a set of teaching and research to meet the needs of the PLC program a scaled model test car transporter platform.The experimental platform better integrated use of soft-a combination of hardware programmable load of modern control theory，simulation techno-logy，PLC application technology，USB communications technology and industrial control and other aspects of knowledge of the principles.It laid a good foundation for the hardware and software for teaching and research，and can fully meet the students in a variety of commonly used laboratory PLC control load requirements，with important teaching and practical significance.This paper focuses on the study and discussion of the experimental system hardware and software design part of the transformation of the specific method and platform value.

programmable load；control theory；hardware and software；transformation value

TP273.5

A

2015-08-02；修改日期：2016-05-19

四川大学2015年实验室教学改造项目。

徐 航（1987-），男，硕士，助理实验师，主要从事电子技术应用、高电压技术方面的研究。