可编程序控制器可视化教学系统设计

王宗涛 李修强 韩廷选

（天津理工大学海运学院，天津 300384）

0 引言

可编程控制器技术是一门在工业控制领域应用广泛且实践性很强的课程，必须在掌握基本理论后，才能安全高效地进行实验和实践。如果能够设计一套可视化教学系统，就可以推动可编程序控制器技术在教学和实践2个方面的发展。可视化教学设计的目的就是为了简洁、明了地传递信息。将信息化手段应用于教学中，是摆在高校教师面前的一个重要任务[1-2]。目前这方面的研究多侧重于提高实验装置的性能或者采用虚拟仿真和动画的方式进行教学[3-5]。这些研究都未能将课堂教学与具体的实际控制进行有机结合。

结合可编程序控制器课程的相关内容，该研究开发的可编程序控制器可视化教学系统既符合实际的工业控制情况，又能和实际的设备进行联机控制，并且可以灵活地应用于课堂教学和实验教学。可编程序控制器可视化教学系统将机电控制系统、可编程序控制器的程序和实际控制的操作按钮组合在一起。其中，机电控制系统采用虚拟电路的方式，可以动态观察接触器触点的状态以及电动机的运行情况；采用在线监视的模式来观察程序的运行情况。操作按钮可以供操作者进行现场操作，操作者在操作的同时，可以实时观察程序的状态、接触器的动作和电动机的运行，可以完整地把握控制系统的运行机理。该研究所开发的可编程序控制器可视化教学系统具有3个优点：1）系统采用纯软件设计，确保了课堂教学的安全和高效。2）该系统采用组态软件设计，能够连接实际的可编程序控制器装置，并且可以灵活地应用于课堂教学和实验教学。3）该系统完整的展示了控制系统的运行机理，可以增强学生的动手实践能力。

1 可视化教学系统设计

1.1 可视化教学系统主界面设计

如图1所示，可视化教学系统主界面设置了8个演示模块：循环扫描过程、启停控制演示、模拟量演示、延时启动演示、正反转演示、星三角启动、定时器扩展以及车位管理系统，另外还设计了1个系统简介按钮。该文对部分模块的操作进行说明，单击对应的按钮，即可进入相应的演示模块。

图1 可视化教学系统主界面

1.2 循环扫描过程模块

如图2所示，循环扫描过程界面中I0.0、I0.1、I0.2等是可编程序控制器的触点，Q0.0、Q4.0等是可编程序控制器的线圈，KM是控制电动机运行的接触器。可编程序控制器采用循环扫描机制，包括输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段。该模块结合启停控制电路程序，展示了可编程序控制器的运行机理。学生可以用讲台的电脑进行现场操作演示，这样既能动手操作又能动态看到程序运行的全过程。

图2 循环扫描过程界面

1.3 启停控制演示模块

如图3所示，启停控制演示界面中FR为热继电器，该模块将电动机、可编程序控制器程序接线、梯形图进行了有机的整合。通过该模块，可以在课堂进行启动和停止的操作。该模块组合了动力线路和控制线路的接线方式，完整地展示了可编程序控制器系统的设计思路。学生们在课堂上可以动手实验，近乎真实地体验到按下启动按钮后电动机的启动和运行过程。启动按钮按下时，触点I0.0对应的Led指示灯点亮，监控程序也进行了相应的动作；线圈Q0.0通电，接触器KM通电，对应的主触点接通主电路，从而电动机启动和运行起来。

此外，该模块还增加了过载测试功能，按下该按钮，对应的触点I0.2接通，程序对应的常闭触点断开，从而切断Q0.0，KM失电，对应的主触点断开，电动机停止运行，此时是无法启动电动机的，从而实现了电动机的过载保护功能。

图3 启停控制演示界面

1.4 延时启动演示模块

如图4所示，延时启动演示界面将电动机、可编程序控制器程序接线和定时器指令进行了有机整合。该模块在启停控制演示模块基础上增加了定时器指令，当触点I0.0对应的按钮按下，触点M0.0通电，定时器T37开始通电工作，计时时间到，触点Q0.0通电，线圈KM通电启动电动机。该模块真实地再现了实验现场，帮助同学深刻领会定时器的使用方法。

图4 延时启动演示界面

1.5 星三角启动控制演示模块

如图5所示，星三角启动控制演示界面中KM1、KM2和KM3是控制电动机运行的接触器。该模块在启停控制演示模块基础上，增加了星三角启动功能，可以防止电动机三角形遇到直接启动时的大电流，减少了对电网的冲击。该模块将星三角接线启动的主电路接线、可编程序控制器控制线路和星三角启动控制梯形图进行了有机整合。在课堂上可以邀请学生进行现场操作，亲自体会启动过程中的细节，并通过程序监控功能，分析定时器的工作过程，从而深入体会星三角启动的控制思想。

1.6 定时器扩展演示模块

如图6所示，定时器扩展演示界面在延时启动演示模块的基础上，将定时器和计数器的综合应用进行整合。定时器T37延时时间到，接通计数器C1 1次，计数增加1，同时T37复位。通过电动机启停控制、定时器和计数器指令的综合应用，实现了定时器扩展功能的练习。

1.7 车位管理系统控制演示模块

如图7所示，车位管理系统控制演示界面以车位管理为例，将加1、减1和比较指令进行了有机整合，学生在课堂中可以实时动态体会这些指令的运行过程。触点I0.0对应的按钮接通，加1指令运行，VW0的数值自动加1。触点I0.1对应的按钮接通，减1指令运行，VW0的数值自动减1。VW0的值<10，线圈Q0.1通电，系统指示有车位，VW0的值=10，系统指示没有车位。该模块完整展示了车位管理系统的运行机理，将现场操作、程序运行机理和应用案例进行了有机整合。

2 可视化教学教学系统的应用

准备1个实验需要相当长的时间，一方面学生需要大量学习实验基本知识和编程基础，另一方面还需要对实验内容进行深入的研究和讨论；如果只是在课堂上讨论，往往难以看到完整的实验系统；如果理论准备不足，就需要实验人员全程不遗余力地讲解相关知识，既增加了实验人员的劳动强度，又会导致实验效果不好。

可编程序控制器可视化教学系统，既能在课堂上安排基本知识的讲解，又能将整个实验过程真实再现，既有利于理论教学的开展，又有利于实验教学的实施。图8为可视化教学系统应用思路，该可视化教学系统的应用分为3个部分进行。首先安排课前预习环节，帮助学生了解编程基础、控制目标和接线方式。其次安排课堂讲授环节，教师可以讲解需求分析，调用可视化教学系统；学生可以动手实践操作、讨论和总结。最后安排课后复习环节，学生可以学习可视化教学讲义，结合课堂中的讨论，进一步巩固理论基础。这3个环节是1个有机的整体，可以为下一步的实验和实践应用打下坚实的基础。

3 结语

可编程序控制器可视化教学系统，将机电控制系统的相关器件、可编程序控制器的程序和操作按钮进行了有机整合，通过按钮的操作可以体会到系统的运行机理，可视化效果良好，提高了课堂教学的效果，有利于培养学生的动手实践能力。该系统采用组态软件开发，符合实际的工业控制情况，紧密地贴近实践应用。该系统全方位考虑了可编程序控制器的控制接线、主电路接线、程序运行监控和现场操作等因素，能帮助学生全面地把握整个系统的运行机理。

图5 星三角启动控制演示界面

图6 定时器扩展演示界面

图7 车位管理系统控制演示界面

图8 可视化教学系统应用思路