基于pLC縮比運料模型實驗平臺設計

徐 航，黃仲平，沈 燁，鄒彤陽

（四川大學 電氣信息學院，成都 610065）

基于pLC縮比運料模型實驗平臺設計

徐 航，黃仲平，沈 燁，鄒彤陽

（四川大學 電氣信息學院，成都 610065）

依托四川大學pLC實驗教學平臺建設改造項目，設計與實現了一套滿足教學與科研需求的PLC程控縮比運料小車模型的實驗平臺。該實驗平臺綜合運用了軟硬件結合程控負載的現代控制理論、仿真技術、PLC應用技術、USB通信技術和工業控制原理等方面知識，為教學和科研奠定了良好的軟硬件基礎，能充分滿足學生在實驗室進行pLC控制各種常用負載的要求，具有重要的教學和科研意義。該文著重研究和討論了實驗系統硬件和軟件部分的設計思想、具體實現方法以及平臺改造價值。

程控負載；控制理論；軟硬件結合；改造價值

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.022

PLC課程不僅是教給學生軟件編程方法，更重要的是幫助學生建立起實際的pLC控制系統概念，使學生正確掌握pLC控制系統的組成、各部分作用及相互關系，為學生在今后的pLC技術應用方面打下扎實的基礎［1-3］。相比傳統的繼電器控制實驗，PLC控制實驗由于其突出的工程性和廣泛的應用性，對培養學生良好的工程意識、較強的實踐能力、敏銳的創新能力和較高的綜合素質均具有舉足輕重的作用［4-5］。

當前理工科高校均開設了pLC課程，實驗教學是該課程的重要環節，但大多數高校在課程教學上均存在著實驗教學設備投資不能滿足當前pLC課程教學實驗環節需要的問題［6］。針對此問題，四川大學電氣信息學院自行設計了pLC程控縮比運料小車模型的實驗系統。該系統充分利用了實驗室現有計算機、縮比運料小車負載、交流電動機與PLC實驗裝置等資源，構建了具有較強教學與科研功能的PLC實驗系統。

1 交流電機實驗平臺改造

基于我校研究型本科教學的定位，結合卓越工程師培養計劃的要求以及現代社會發展對人才的需求情況，我校對傳統的控制實驗平臺進行了改造［7］。傳統的控制實驗平臺主要采用各種繼電器、傳感器以及電動機完成一個簡單的控制電路；隨著教學、科研以及人才培養要求的發展，傳統的電機實驗平臺已不能滿足要求［8-10］。我校對電機實驗平臺的改進方案是在傳統的實驗系統上加入仿真實驗系統和虛擬實驗系統，既突出了重點，又強化了實訓，同時兼顧了科研。本文重點介紹pLC實驗平臺改造方案，以及平臺改造的成果和意義。改造框圖如圖1所示。

圖1 綜合創新傳動實驗平臺改造框圖

傳統傳動實驗系統需要配置一定數量的設備和儀器，在運行過程中還有相關的實驗產品和耗材，如圖2所示，主要由三相電源、交流接觸器、熱繼電器、時間繼電器、開關、接線柱以及交流電動機等組成［11］，通過各種繼電器的配合使用來控制電機的不同狀態，完成相應的動作。

這種實驗平臺雖然可見性和操作性較強，但由于受實驗設備數量、實驗產品及耗材、指導教師以及實驗學時等因素的限制，實驗教學一般只能分組進行［12］。實驗過程中學生動手操作實驗設備和儀器的機會較少，多數學生是在看實驗而不是在做實驗，教學效果不理想；而購置大量實驗設備需要大量的資金；同時，這種實驗模式單一，并不能很好地鍛煉學生的創新思維。

圖2 電機運動控制線路圖

四川大學作為教育部直屬重點高校，在實驗室的建設上一直堅持改革，將傳統的基礎實驗與現代控制理論相結合，開發研究型、綜合型實驗題目。比如實驗室將傳統的繼電器實驗進行改造，改造流程如圖3所示。圖4是電機控制縮比運料小車的實物圖。

圖3 運動控制實驗平臺改進方案

圖4 電機控制縮比運料小車的實物圖

1.2 仿真實驗系統的構建

隨著實驗教學發展的需要，在傳統的實驗平臺上通過改進實驗設備，并且加入仿真實驗系統和虛擬實驗系統是十分必要的［13］。軟硬結合，在學生搭建硬件電路并測試出結果后，鼓勵學生使用相應的仿真軟件進行再次分析，在更好地理解實驗的同時掌握相應軟件的使用。在實驗教學中加入仿真系統有以下好處。

1）仿真實驗室在教學過程中的應用模擬了現實中的可控對象，需要的硬件設施少，僅需要配置計算機和可編程控制器，可以充分利用教學場地為更多的學生服務。

2）可編程控制器具有良好的穩定性，模擬的可控對象可做到零損耗，減少了實驗耗材的投入。

曾憲威還表示，推動小區建設電動車集中停放、充電區，建設滿足消防要求的電動車充電設施，消除消防安全隱患，將是下一步的工作重點。此外，要依托社區消防宣傳大使隊伍，在各住宅小區高頻次開展社區消防宣傳活動，組織消防志愿者進社區、進家庭，“大力普及消防安全知識，切實增強居民消防安全意識，全面提升消防隊伍防火滅火能力，以實際行動交上一份合格的答卷”。

3）被控對象在計算機上通過動畫進行逼真地展現，避免實際對象在工作過程中因移動、升降和旋轉等動作帶來的危險，提高了安全系數。

4）可以使學生更加靈活地設計實驗，可以有效鍛煉學生的創新思維。在完成過程控制的同時，加強理解計算機與控制器之間的通訊方式以及軟件程序的編寫技巧。

實驗室在加強仿真實驗系統構建的同時也在積極開發虛擬實驗系統，可以讓學生進一步了解數據傳輸以及自動化控制原理；同時學生可以在宿舍遠程完成傳動控制實驗，這既可緩解實驗室課程安排的壓力，也方便學生在預約的前提下可以任選時間完成實驗。虛擬實驗系統和虛擬實驗室都有很強的實用性和推廣型，也得到了學校的大力支持。

2 PLC運動控制平臺硬件電路設計

2.1 實驗平臺硬件組成

與傳統的繼電器控制相比，PLC在三相異步電動機控制中的應用具有控制速度快、可靠性高、靈活性強、功能完善等優點，因此實驗室用pLC控制代替現有的繼電器控制平臺?；赑LC的縮比運料小車模型控制實驗平臺主要包括兩大部分: 1）仿真部分，采用一臺電腦作程序仿真，并與PLC實驗箱相互通信；2）電氣控制部分，包括PLC實驗箱和中間繼電器轉接板，根據梯形圖控制負載完成相應的動作。本次實驗平臺改造所用的負載是縮比運料小車模型，如圖5所示。

圖5 縮比運料小車模型

2.2 驅動電路設計

PLC實驗箱可以直接控制小的電磁閥，流水燈以及電梯縮比模型等小功率負載；但其帶負載能力有限，并不能直接驅動大功率負載。本次實驗改造用的負載是型號為YS-7114的三相交流電機以及縮比運料小車模型，其功率均大于300 W。為安全考慮，需在pLC實驗箱和負載之間加入中間繼電器，電路如圖6所示。

圖6 中間繼電器驅動電路圖

2.3 保護電路設計

電動機控制線路中，一般安裝三刀開關、控制保險、控制按鈕、組合開關、萬能轉換開關、熱繼電器、自動空氣開關、中間繼電器等多種電器保護元件，它們的主要作用是當電路因誤操作出現瞬間大電流時，對控制器以及負載進行保護。作為學生進行實驗的學習平臺，出現誤操作或錯誤接線是不可避免的，因此保護電路的設計是實驗平臺改造中必須重點考慮的問題之一。保護電路框圖如圖7所示。

圖7 運料小車平臺保護系統框圖

從圖7可以看出本實驗平臺主要有3重保護措施:1）配電柜處的空氣開關；2）高壓實驗臺的瓷質保險；3）PLC實驗箱與縮比運料小車模型之間的過熱繼電器和中間繼電器組。3處保護措施在電路中是串聯的方式，當學生出現操作失誤、錯誤接線等故障時，3處保護措施任意一處動作，都可以保護學生的人身安全。

3 PLC控制代替傳統的繼電器控制

3.1 編程代替硬件電路

繼電器控制平臺是由許多真正的硬件繼電器組成的，可靠性不高且實驗模式單一。PLC是由許多“軟繼電器”組成的，這些“繼電器”實際上是存儲器中的觸發器，可以置“0”或置“1”，使控制方式更加靈活，更有利于鍛煉學生的動手能力和創新思維。

以縮比運料小車的繼電器控制電路為例，說明繼電器控制和PLC控制之間的轉換。圖8（a）是縮比運料小車模型控制部分的電路圖?？刂齐娐凡糠植捎秒p保險設置，交流接觸器和時間繼電器控制小車不同的運動狀態，熱繼電器串聯在電路中，當電路出現短路故障時會自動斷開主電路，起到保護作用。PLC控制對應的梯形圖如圖8（b）所示，其中對應的I/O關系是:輸入SB對應X輸出KM對應Y。

圖8 繼電器控制轉換為PLC控制梯形圖

由圖8可以看出，采用梯形圖可以通過適當設置中間環節（輔助繼電器M1），使程序更加簡潔；元器件使用沒有數量限制，通斷狀態也不構成硬件成本；設計更加靈活，更有利于對學生創新思維的培養。

3.2 軟件程序代替硬件延遲

在學校的實踐周活動中，學生用時間繼電器來完成電動機的延時啟動。在這個過程中，頻繁地出現時間繼電器損壞的現象，究其原因，可能是觸點通過電流過大、線圈電壓過高或學生調節延遲時間旋鈕不當等因素引起。將實驗平臺改造為pLC控制可以有效解決這一問題。在PLC控制中，只需要用相應的定時器代替時間繼電器就可以了；這是PLC的基本功能，無論哪個型號的pLC都具有時間延遲的功能。

比如運料小車的清洗功能需要在卸料動作完成后延遲1 s啟動，這時可以選擇一個定時器線圈，一般代號為（T1、K10），其中T1說明這個線圈是定時器，計時基數是100 ms，K10是計時時間，就是可以延遲10×100 ms=1 s。當運料小車完成卸料動作后，線圈通電延時1 s后導通觸點，繼而運料小車才開始清洗的動作。

4 平臺改造的價值

4.1 讓學生進一步了解工業控制

創新實驗平臺把實驗教學和工業發展的需要相結合，是培養學生動手能力、解決問題能力以及探索精神的有效途徑。將實驗室課程與工業控制有效地結合，可以讓學生提高動手能力的同時理解現代工業控制，更有利于培養社會需要的人才?？s比運料小車模型與現代工業控制的對比如圖9所示。

圖9 運料小車與生產線對比圖

4.2 提高學生對實驗課的積極性

將基礎實驗與創新實驗相結合，提高動手能力的同時，設計了一些與工業控制、電路設計、行業發展相關的實驗，取得了很好的效果。

1）使學生直觀看到電路電工實驗與技能的價值是與工程實踐緊密相連的，從而提高了學生對電路電工實驗的積極性。

2）通過實驗改造，學生創新能力得到培養的同時也對工程實踐有了一定的認識，為培養學生的工程素質奠定了基礎。

3）通過組織學生開展產學研活動，教師和實驗員的科研能力也得到了有效提高；同時也為實驗室的建設與發展贏得經費創造了條件。

4.3 逐步對實驗室進行改造

現階段實驗室建設最主要的目標是不斷滿足日益增加的科研需要，在經費難以增加的情況下，如何應用現有設備或對現有設備進行改造，實現最大的科研價值和提高學生的創新能力是值得深入思考的問題。此次實驗改造項目對原有的電機實驗平臺進行改造，用縮比運料小車模型代替原有的電動機，控制電路也用更加靈活的pLC代替各種繼電器，既能更好地鍛煉學生的綜合能力，又對實驗室進行改造，使其更加符合學生職業發展規劃的要求。

5 結束語

隨著技術的普及、市場競爭的日趨激烈以及對學生創新精神培養的需要，PLC控制技術在工業控制與實驗室教學中的應用越來越廣泛。本次教學改造項目將pLC控制技術與縮比運料小車相結合，利用實驗室現有資源，既完成了控制平臺的整體提升改造，同時也使電工實驗的傳動實驗課程更加接近工業控制領域的實際需求；不僅為電工實驗教學提供了一條新的途徑，而且能大大提升學生學習專業技術的興趣，為提高學生創新思維打下了良好的基礎。

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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

四川大學2015年實驗室教學改造項目。

徐 航（1987-），男，碩士，助理實驗師，主要從事電子技術應用、高電壓技術方面的研究。