电气控制与PLC技术半实物仿真实训装置构建

周 瑜，张文能

(1.江苏科技大学 电气与信息工程学院，江苏 张家港 215600；2.徐州瑞控机电科技有限公司，江苏 徐州 221008)

·实习与实训·

电气控制与PLC技术半实物仿真实训装置构建

周 瑜1，张文能2

(1.江苏科技大学 电气与信息工程学院，江苏 张家港 215600；2.徐州瑞控机电科技有限公司，江苏 徐州 221008)

电气控制与PLC技术是一门实践性很强的专业课，为了满足其在不同应用环境下的实践需求，设计了一个基于组态软件的半实物仿真实训装置，利用该装置，可以通过直观、真实的界面，方便、安全地展现出PLC控制程序的执行效果，验证其正确性。最后，以自动化生产线中供料传输系统为例，阐述半实物仿真实训装置的构建与应用。

电气控制； 可编程逻辑控制器； 半实物仿真； 实训装置

0 引 言

教育部已明确提出部分普通高等院校向应用技术、职业教育类型转变，我国许多高校以此为契机，通过教育教学改革来探索转型内容和转型方法[1]。我校作为新建地方本科院校，坚持以服务社会为导向，逐步形成了“立足张家港、服务长三角”的产学研社会服务体系。学校始终坚持把人才培养作为根本任务，不断深化人才培养模式改革，培养具有可持续发展潜质、创新能力和国际化视野的综合性应用型人才。根据这一定位和目标，结合地方企业的特点，我院电气工程及其自动化专业主要为地方中小企业培养能够维护、管理和改造自动化生产线的基本能力。无论是从国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，普遍把可编程逻辑控制器(PLC)作为控制系统的核心器件[2]。因此，培养掌握机电一体化技术，掌握PLC 技术及PLC 网络技术的人材是当务之急。本文就 “电气控制与PLC技术”的教学和实践环节进行探索与改革，设计满足其实践需求的半实物仿真实训装置。

1 课程定位与目标

企业中的工程技术人员通常有应用型、研究型和管理型3种，其中应用型，也就是在工业生产第一线从事工程设计、制造、施工、运行等技术工作，约占工程师总数的75%[3]。“电气控制与PLC技术”是电气工程及其自动化专业的主干专业课程之一，内容涉及工业现场电气控制与PLC控制的理论知识和实际应用技术，是一门实践性很强的专业课程[4]，与生产实际和工程应用结合紧密且应用广泛，是学生走向工作岗位可能直接应用的一门专业知识。“电气控制与PLC技术”课程教学目的是使学生熟悉电气控制系统的基本控制电路，具有电气控制系统分析和设计的基本能力；掌握PLC原理及编程方法，具备一定的PLC程序设计和应用能力，可以利用 PLC进行一般控制系统的设计和改造[5]，最终能胜任地方中小企业生产设备运行、维修和保养岗位,为成为应用型工程师打下基础。

2 课程教学现状

本课程主要讲述4部分内容，分别是低压电器基本知识(主要包括器件结构，工作原理和选型)；常用电气控制线路知识(主要讲述基本电气控制原理图，布置图，接线图以及典型机床控制线路分析)；PLC硬件知识(主要讲述PLC发展，工作原理，硬件结构和存储分配)；PLC软件设计及应用知识(主要讲述PLC指令系统和编程方法以及指令的应用)。

该课程是一门应用性很强的专业课程，针对该课程的实践环节设计也应充分考虑应用型人才培养的大方向。目前，该课程的实践环节主要分为课程实验、综合实训、第二课堂。

2.1课程实验

课程实验总学时为16学时，占课程总学时的1/3左右，其中包括验证性实验、设计性实验和创新型实验。现在常用的PLC实验室建设模式是购买某家公司的PLC硬件加上由教学仪器公司专门为PLC教学设计推出的实验台[6]，实验台主要是以发光管为控制对象的程序逻辑演示设备，使用此类实训设备，实训内容主要是指令学习、程序录入以及功能演示，过于理论化，缺乏对控制系统的理解，与企业脱节。

2.2综合实训

从现实的学情和教情出发，研究一套可与企业实际接轨的教学和实训方法至关重要。因此，学院实训中心引入一套网络型模块化柔性自动化生产线实训系统，该设备由供料输送单元、搬运单元、模拟加工单元、直线传输检测单元、安装装配单元、立体仓库等组成，综合运用了PLC控制 、气动驱动技术，多种传感器，构成一个典型的自动生产线的机械平台[7]。该设备可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学习者得到一个非常接近于实际的教学设备环境，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。但是，该实训装置价格昂贵，体积庞大，维修困难，同时受学校资金和场地的限制。同期进行综合实训的同学一般为40人左右，而一般的学校只会配备1至2条生产线，无法满足所有同学的调试需求。

2.3第二课堂

第二课堂是引导学生养成良好的学习、研究习惯，让学生之间、师生之间能够有一个自觉交流沟通的平台，可以促使学生创新活动常态化。学院申请成立了“全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛校园Campus-Hub学习中心”。学习中心集中了大量PLC学习爱好者，秉承“传承、互助、分享”的宗旨。该学习中心是创新实践基地的骨干力量，在学习中心里互助互学，形成传帮带的科研风气，共同完成PLC相关的本科生创新训练项目，并积极参加自动化相关的学科竞赛，取得了不错的成绩。PLC的学习，需要设备进行调试，除了在学院允许的时间内，申请开放实训平台，大部分的实践主要通过西门子、三菱等公司提供的PLC仿真软件，对程序进行仿真，缺乏对于实际系统直观的调试。

3 半实物半仿真实训装置

综上所述，几种实验实训方式，都有实际系统缺乏，或者价格昂贵、维护困难、难以满足大批量同学同时实践的困难，从而使得虚拟仿真实验教学在高等学校的应用日益增多，它可以弥补真实装置在实验条件、实验成本、交互性和安全性等方面的不足[8]，主要构建一种半实物半仿真实训装置。

半实物仿真，英文名称含义：Hardware In the Loop Simulation，是指在仿真实验系统的仿真回路中接入所研究系统的部分实物的仿真[9]，半实物仿真通常有2种情况：①用计算机作为控制器，而将受控对象作为实物直接放置在仿真回路；②控制器用实物，而受控对象使用数学模型[10]。本文采用第2种方式，以PLC为实物控制器，受控对象的建立引入组态软件，充分利用组态软件可以与PLC进行数据传输，并具有数据存储和监测的功能的特点。

组态软件作为专为工控开发的工具软件，它为用户提供了多种通用工具模块，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态、数据组态、动画组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作[11]。控制系统中，PLC也可以接收来自组态软件中发出的信号，被控对象可以接受PLC向其发出的控制信号，而产生相应的动作，通过观察组态界面上的动画显示，使用者可以直观的检测PLC程序的执行过程，以及整个控制系统的运行过程。

4 实训装置设计

4.1系统组成

利用PLC与组态软件相结合的方法，通过组态软件，全真模拟PLC被控目标，用软件代替实物，即可使用有限的设备和灵活的程序来丰富实践教学[12]。采用典型工业生产流程，结合工业现场真实设备，并借助仿真软件全面模拟实际的生产工艺过程[13]，可以深入开展项目教学、案例教学。本系统主要包含显示器、主机和PLC3部分,系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成

显示器：观察监测控制过程，检验PLC程序运行后的控制结果是否正确。

主机，作为上位机，安装组态软件，及PLC的编程软件。组态软件用来设计监控界面，建立数据库并定义组态变量；PLC的编程软件用来编写程序，并将程序编译成功后，下载到PLC中。

PLC，作为下位机，与上位机进行通信，接受来自外部或者组态软件的控制信号，运行用户程序，并反馈运行结果给上位机。

本文实例采用的组态软件是ForceControl V7.0，采用西门子S7-200系列的PLC，构建“电气控制与PLC综合实训系统”，实验内容主界面如图2所示。在实际使用中，只需修改设备组态，就可以使该系统满足其他PLC类型。

其中，第1部分电气控制电路为演示系统，供用户学习基本的电气控制线路，可以观察电气控制线路的基本组成及工作原理，图3所示为三相异步电动机正反转控制电路，按照实际操作，合上电源开关QS，按下正转按钮SB2，图中KM2线圈得电变红色，KM2触点闭合，电动机正向运行。按下反转按钮SB3，图中KM3线圈得电变红色，KM3触点闭合，电动机反向运行。按下停止按钮SB1，电动机停止运行。

图2 综合实训装置主界面

图3 三相异步电动机正反转控制系统

第2部分为PLC电气控制系统，包含两个简单的电动机控制系统，即电动机正反转以及电动机星三角降压启动的PLC控制系统，图4所示为三相异步电动机正反转PLC控制系统。除简单电动机控制系统之外，包含多个仿真控制系统，例如“十字路口交通灯控制系统”“机械手控制系统”“供料传输系统”等。下面以供料传输系统为例，介绍实训装置设计过程。

图4 三相异步电动机正反转PLC控制系统

4.2供料传输系统功能

图5为模块式柔性生产线实训系统实物模型，供料传输系统为该系统的第一站起始单元，在整个系统中起着向系统中的其他单元提供原料的作用，其工作过程为：当供料传输单元的料仓工件有无传感器检测到料仓内有毛坯零件时，推料气缸动作，活塞杆伸出，将毛坯零件从仓内推到传输带上，传输带开始运行，同时推料气缸活塞杆返回，准备从仓内推出下一个毛坯零件。传输带将毛坯零件送到其末端阻挡机构，并将毛坯零件挡住，设在阻挡机构处的工件有无传感器检测到有毛坯零件，发信号给机械手工作站，来搬取毛坯零件。

图5 柔性生产线实物模型

实际供料传输系统，主要由铝合金型材基体、料仓、推料气缸、传输带、变频器、光纤传感器、磁感应开关、电磁阀及PLC控制系统等组成。设置基于组态软件的半实物仿真实训装置，首先完成“供料传输单元”应用程序的图形描述部分工作；然后需要定义I/O 设备、创建数据库、制作动画连接和设置I/O 驱动程序。数据库是应用程序的核心，动画连接使图形“活动”起来，I/O 驱动程序完成与硬件测控设备的数据通信。

4.3图形界面设计

图形界面可以利用组态软件提供的图库进行设计。图库是系统预先建立好的组合图形对象。组态软件系统提供十几个图形库几百个元件，包括控制按钮、电机、泵、开关和其他标准工业元件，设计者可以简单地从图库中取出元件加到自己的应用中[14]。

供料传输系统图形界面包括操作面板和控制系统，如图6所示。操作面板包含有加料按钮，开始按钮、复位按钮、手/自动旋钮、停止按钮、上电按钮、急停按钮以及各种指示灯组成。控制系统包含有料仓、气缸、传送带以及各种传感器组成，传感器包括料仓工件有无传感器、气缸推出和返回传感器、到料检测传感器等。

图6 供料传输单元界面设计

4.4I/O组态及数据连接

图形界面是静态的，要想监测PLC程序的执行过程和运行结果，产生动画效果，必须将图中的图形元素跟PLC进行数据连接，如图7所示，例如代表气缸输出检测传感器的变量qigang_out，跟已组态好的设备S7200PLC内部变量M30.0相连接，通过动画设置，可以改变PLC内部变量M30.0。

图7 I/O组态

4.5建立动画连接

动画连接是将画面中的图形对象与变量之间建立某种关系，当变量的值发生变化时，在画面上图形对象的动画效果动态变化方式体现出来。有了变量之后就可以制作动画连接了。一旦创建了一个图形对象，给它加上动画连接就相当于赋予它“生命”，使它动起来。以推料气缸为例，PLC运算得到气缸推出的命令，使代表气缸的图形位移发生改变，通过图形的位移来判断气缸的推出和返回，并改变变量qigang_out和qigang_in的值，重新传递给PLC，进行下一个周期的运算。

图8 推料气缸动作

4.6调试运行

设计完实训系统，只需一台PLC，以及简单的外部设备，如图9所示，就可以完成整个供料传输单元的调试工作。编写用户程序并写入PLC控制器，再连接组态系统和PLC。调入组态运行画面运行程序，组态系统首先根据变量初始值，初始化图形界面的位置和颜色，然后跟PLC交互数据，刷新控制变量，并根据接收到的控制信号，执行相应的动作过程，同时发出控制信号，如果有结束信号，则系统运行结束，没有则重新与PLC交互数据，程序流程图如图10所示。 由此，通过图形界面，可以得到与实际系统相同的效果，验证程序的正确性。

图9 PLC外设

图10 半实物仿真实训装置运行流程

5 结 语

电气工程及其自动化专业，极具工程背景的专业特点，以培养“现场工程师”为教育目标[15]，要求学生不但要具备专业的理论知识和技能，还要能够从工程问题角度出发来思考、分析问题，利用组态软件，构建以实际工程项目为背景的虚拟对象，利用有限的实验设备和灵活的程序来丰富实训内容。甚至也可以让学生自己通过企业调研，设计组态系统，既能熟练掌握PLC的使用技巧，又能加深对企业的实际工业流程的理解。基于组态软件的电气控制与PLC半实物半仿真实训装置，对实验设备要求低、易维护、使用灵活方便。经过试用，该装置在PLC实训教学和学生的第二课堂学习中，发挥了重要作用。

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Construction of Hardware-in-loop Simulation Training Devices for Course of Electric Control and PLC Technology

ZHOUYu1,ZHANGWeneng2

(1.College of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang 215600,Jiangsu,China; 2.Xuzhou China Base Ruikong Jidian Keji Co.,Ltd.,Xuzhou 221008,Jiangsu,China)

The electric control and PLC technology is a course with strong practicality.To meet the practical requirements on PLC controllers under different application environments， a set of hardware-in-loop simulation training devices are designed.In this way， the correctness of PLC control programs can be verified quickly and safely based on intuitive and authentic displaying.Finally， taking the feeding and transmission system of the automatized production line as an example,the construction and application of the hardware-in-loop simulation training devices are described deeply.

electrical control; programmable logic controller(PLC); hardware-in-loop simulation; training devices

2016-08-29

江苏省教育科学研究院现代教育技术研究项目(2015-R-42233)；江苏科技大学高教研究项目(GJKTY2014-12)；2016年江苏科技大学教学方法改革示范课程

周 瑜(1984-)，女，江苏张家港人，硕士，实验师，主要从事工业自动控制教学与研究。

Tel.：15895599393;E-mail:zhouyu_zjg@163.com

G 642

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1006-7167(2017)07-0230-05