Visual Graph动画在“电气控制与PLC技术”教学中的应用

翁国庆

（浙江工业大学信息工程学院 浙江 杭州 310023）

“电气控制与PLC技术”是电气、自动化、机电类相关专业的一门重要专业课程，其最大特点是应用性、实践性强，理论和实践结合得特别紧密，对于学生创新实践的“新工科”思维和能力的培养作用非常突出[1]。但是，目前高校在该课程的教学环节中，普遍存在教学资源形式单一、交互性差、学生兴趣不高、教学效率低下等问题。特别是在该课程的常规低压电器工作原理、电气控制线路设计等教学内容学习时，由于课堂教学资源、教学时间、教学对象特性所限，仅靠教师播放静态的PPT材料以及教师抽象讲授，将严重影响学生的理解和掌握。如何让课堂“动”起来，让学生理解“易”起来，显得愈加重要和迫在眉睫。

将多媒体技术恰当地应用于教学中，可使教学内容丰富多彩，形象直观，让那些原本枯燥无味的知识变得富有趣味性，使学生产生极大的好奇心[2]。动画辅助教学是近年来出现的新型展示技术，具有直观性好、交互性强等优点[3]。同时，动画辅助教学属于开放式网络教育形式，不受时间、空间限制[4]。教学实践表明，该教学模式可极大地提高教学效率和教学效果[5]。

本文针对“电气控制与PLC技术”的常规电气控制部分教学内容，提出一种基于Visual Graph图形集成开发环境的教学动画设计方案。内容包括Visual Graph软件特点和开发环境的介绍、本课程对于演示动画的需求分析和项目规划，以及基于Visual Graph的演示动画设计案例实施。

1 Visual Graph软件的特点和开发环境

Visual Graph是北京图王公司开发的一套强大的交互图形开发平台，能够非常方便地建造基于图形的界面、制作各种图形元件、实现图形管理、图形建模、制作监控系统、表单系统、绘图系统、流程设计、CAD软件等。其提供功能强大的ActiveX组件，和其他流行的编程语言共同工作，弥补这些语言在图形处理方面的不足，也可以嵌入IE浏览器中，实现网上图形编辑和控制等。Visual Graph图形集成开发环境如图1所示（p117）。

Visual Graph专门处理交互图形，提供丰富规范的交互事件和图形控制命令，内置结构简单开放的脚本语言，可以实现工业上几乎任何可以动作的仪器仪表，例如刀闸、开关、仪表盘、气温计、气缸、各种液位罐、煤矿用传送皮带、风机、LED显示、滑块、各种信号灯、各种异形按钮、棒图、饼图、曲线图等等。因此，在工业自动化监控、仿真、电力、煤炭、化工等方面应用非常广泛。

2 课程演示动画的需求分析规划

本课程教授内容中，主要包含基于继电接触传统的电气控制线路设计，以及基于可编程序控制器（PLC）的现代电气控制设计。而熟悉接触器、继电器、开关电器、主令电器、熔断器、执行电器和信号电器等常用电压电器的工作原理，是学习和掌握它们的共同基础要求。

在了解电气控制线路的符号及绘制原则基础上，可以进一步开展三相笼型异步电动机的基本控制线路，以及更高级的功能控制线路学习。基本控制线路包括电动机基本起保停控制、点动控制、多点控制、正反转控制、顺序起停控制、自动循环控制等；功能控制线路包括降压启动控制、制动控制、调速控制等。

该部分课程内容的传统授课方式以教师讲授为主，由于资源所限、时间所限、对象特性所限，课程所涉及的常用低压电器结构组成及工作原理，以及上述各种电气控制电路的具体工作过程，仅靠教师静态PPT材料以及教师的抽象讲授，严重影响学生对于该部分教学内容的理解和掌握。而利用动画教学法，学生可以非常形象直观地感知其复杂的结构、工作原理和过程，课堂因“动”而变得精彩。表1所列为笔者基于该部分教学内容，根据其难易度和典型性，精心挑选的部分低压电器和电气控制线路，基于Visual Graph软件进行了动画设计和教学资源开发的内容。

表1 基于Visual Graph的常用电气控制线路演示动画列表

3 基于Visual Graph的演示动画设计案例

3.1 案例1：电动机的Y-转换降压启动控制电路

电动机Y-转换降压启动控制电路的基本工作原理为：在电机MA通电后其转速从0上升至额定转速的起动期间，MA三相绕组先按照Y（星）型接法通电；其转速升至额定转速后的正常运行期间，控制电路将其三相绕组通电方式自动切换至（三角）型接法；根据三相异步电动机的工作特性，其采用Y（星）型接法时的扰动电流仅为采用（三角）型接法时的1/3，可有效解决大容量（或重载）电机的启动电流过大，影响系统安全的问题。

为达到将该控制电路工作原理及工作过程形象直观表现的教学效果，在基于Visual Graph图形集成开发环境设计的电路动画设计过程中，将整个原理图分为主电路（左下部分）和控制电路（右下部分），并在上方醒目地布置了用于操作的按钮及指示灯显示模块。其中，主电路和控制电路部分，各器件图形和文字符号基本与教材中相关内容对应一致。但在动画设计过程中，需要重点考虑以下几点动画要求：

要求1：各触点的“开”“合”状态可随着控制逻辑推进而自动切换，并直观显示。

要求2：各线路可根据其通电与否的状态实现“动态着色”，并直观显示。

要求3：时间继电器（KF）元件线圈，可根据定时时间推进而采用动态进度条及数字比例，直观显示定时时间。

要求4：三相异步电机（MA）元件，可根据其“通电”“断电”以及运行速度状态量，动态改变其“静”与“动”的运行状态。

要求5：为增强人机交互特性，采用布置合适元件及图形，合适设计包括“上电开关”“起动按钮”“停止按钮”“过载信号”，以及关键运行状态指示灯。

运行所设计的Y-△转换降压启动控制电路动画软件后，系统弹跳出动画运行窗口，如图2所示。该动画软件可按以下步骤形象展示电路工作过程：

步骤1：拉上操作台“上电开关”，其颜色由红变绿，主电路中开关QA△合上，系统上电准备。

步骤2：按下操作台“起动”按钮：运行指示灯、启动过程灯颜色均由暗变亮，控制电路中SF2按钮触点合上，电路中接触器QA1和QAY的所有触点动作，电机MA按Y（星）型接法起动运行，并开始时间继电器KF的计时（计时时间按MA的实际启动时长设定）；相应通电线路，其颜色均由黑变红。

步骤3：KF定时时间到（进度表及百分比数字均明显显示），其延时触点动作，先断开接触器QAY主触点，同时合上接触器QA主触点，电机MA绕组由Y（星）型接法自动切换为△（三角）型接法；启动过程灯颜色由亮变暗，表示电机起动过程结束，电机进入全压正常运行状态。

步骤4：运行过程中的任何时候，若在操作台上按下“停止”或“过载”按钮，控制电路中对应的SF1或BB常闭触点将打开，控制电路中元件线圈均失电、主电路中所有触点（除开关QA0）均打开，电机停止运行（见图2）。

3.2 案例2：小车自动循环运行控制电路

小车自动循环运行控制电路的基本工作原理为：在小车直线运行的始末两端分别布置行程开关BG1和BG2，小车初始状态为静止停靠在中间；通过按钮控制，小车可正向启动（先往左运行），也可反向启动（先往右运行），运行至终端碰触到相应行程开关后，都需要自动返回运行，直至运行至反方向终端；如此自动往返循环运行，直至按下停止按钮或者出现过载，小车立即就地停止。

为达到将该控制电路工作原理及工作过程形象直观展现的教学效果，基于Visual Graph图形集成开发环境设计电路动画过程中，采用的基本思路、布局方式以及基本要求与案例1基本相似，需要重点考虑以下几点：

要求1：各触点的“开”“合”状态可随着控制逻辑推进而自动切换，并直观显示。

要求2：各线路的可根据其通电与否的状态实现“动态着色”，并直观显示。

要求3：涉及位置控制，在动画设计时需要清晰显示行程开关布置位置信息，并通过百分比进度条形式展示小车往相应方向运行的进度（中点时为50%，到达终端时为0%，期间百分比数字线性变化）。

要求4：三相异步电机（MA）元件，可根据其“通电”“断电”以及运行方向（正转、反转），动态改变其“静”与“动”的运行状态。

要求5：为增强人机交互特性，采用布置合适元件及图形，合适设计包括“上电开关”“停止按钮”“过载信号”；循环运行要求电机具有正反转功能，在主电路、控制电路中，都必须配套设计实现正反转的触点电路，且其控制必须符合互锁要求；操作台设计中，也需要分别设计“正向起动”“反向起动”按钮和对应运行指示灯。

运行所设计的小车自动循环运行控制电路动画软件后，系统弹出动画运行窗口，如图3所示。该动画软件可按以下步骤形象展示电路工作过程：

步骤1：拉上操作台“上电开关”，其颜色由红变绿，主电路中开关QA0合上，系统上电准备；行程开关百分比进度条显示50%，表示小车初始状态静止停靠于中点。

步骤2：按下操作台“正向起动”按钮：相应运行指示灯由暗变亮，控制电路中SF2按钮触点合上，电路中接触器QA1所有触点动作，电机MA正向（顺时针）起动运行；相应通电线路，其颜色均由黑变红；动画图中右上部分的行程开关百分比进度条显示数据将由原50%线性变小，直至降至0%，表示小车运行至最左端，碰触到行程开关BG1。

步骤3：控制电路中QA1控制回路中的BG1常闭触点将动态打开，自动将接触器线圈QA1断电（线圈填充颜色由红色变为黑色），主电路中QA1主触点动态打开，电机MA停止正向转动；同时，控制电路中QA2控制回路中的BG1常开触点将动态闭合，自动将接触器线圈QA2通电（线圈填充颜色由黑色变为红色），主电路中QA2主触点动态闭合，电机MA开始反向（逆时针）转动。

步骤4：动画图中右上部分的行程开关百分比进度条显示数据将由最左端的0%线性变大，直至增至100%，表示小车匀速反向运行至最右端，碰触到行程开关BG2。

步骤5：同理，控制电路中QA2控制回路中的BG2常闭触点将动态打开，自动将接触器线圈QA2断电（线圈填充颜色由红色变为黑色），主电路中QA2主触点动态打开，电机MA停止反向转动；同时，控制电路中QA1控制回路中的BG2常开触点将动态闭合，自动将接触器线圈QA1通电（线圈填充颜色由黑色变为红色），主电路中QA1主触点动态闭合，电机MA开始正向转动。

步骤6：动画图中右上部分的行程开关百分比进度条显示数据将由最右端的0%线性变大，直至增至100%，表示小车匀速正向运行至最左端，碰触到行程开关BG1；如此自动反复循环。

步骤7：运行过程中的任何时候，若在操作台上按下“停止”或“过载”按钮，控制电路中对应的SF1或BB常闭触点将打开，控制电路中元件线圈均失电、主电路中所有触点（除开关QA0）均打开，电机停止运行。

以上步骤需要说明的是：①若首次按下的是“反向起动”按钮，则整个过程原理一样，过程动作方向的顺序相反；②控制电路中，接触器QA1和QA2动画显示中，必须完全符合其互锁要求；③控制电路中，BG1和BG2均为联动开关，动画“开合”动态切换需要同步进行。

4 结论

“电气控制与PLC技术”课程对于培养和提升相关专业学生的理论结合实际、动手实践能力作用显著，但由于诸多条件受限，对于复杂器件和控制电路的课堂教学中往往效果不佳。本文提出了一种基于Visual Graph图形集成开发环境的动画设计方案，重点介绍了Visual Graph软件特点和开发环境、本课程对于演示动画的需求分析和项目规划，以及基于Visual Graph的演示动画设计案例实施。通过多个学期的教学实施，基于该动画教学法的课堂教学效果明显，有效调动了学生的积极性，使抽象的教学内容变得足够形象生动，显著增强了学生对课程理论知识与实际应用结合的能力，学生动手实践和电气控制领域复杂工程问题的解决能力得到很大提升。