孫 靜

(黎明職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)，福建 泉州 362000)

可編程控制器(PLC)是一種以計算機為核心的通用新型工業(yè)自動化裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)越，可靠性高等優(yōu)點，被譽為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱之一.因此，它成為機電類相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)課程.學(xué)習(xí)本課程，并能將其應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，對學(xué)生將來就業(yè)具有重要意義.該課程具有綜合性、多變性、實踐性和實用性等特點，這就要求教師在教學(xué)中要采用“教——學(xué)——做”一體化的方式教學(xué)[1]，注重對學(xué)生綜合能力和實踐能力的培養(yǎng)，從而進一步提高課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果.

1 PLC傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的問題

PLC作為機電類學(xué)生的專業(yè)必修課，在教學(xué)過程中，既有理論知識學(xué)習(xí).又有實踐內(nèi)容講解，既有編程方法介紹，又有實用案例分析，因此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)努力做到因材施教，充分調(diào)動廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量.而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因為師資、實訓(xùn)條件、實驗設(shè)備不足等原因，很多教授PLC課程的教師在授課過程中常采用填鴨式的教學(xué)模式，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，課程教學(xué)效果不明顯.學(xué)生畢業(yè)后動手能力較差，與市場的需求不相適應(yīng).所以，本著要淡化理論教學(xué)，強化實踐教學(xué)的原則，我校將教室與實訓(xùn)室合二為一，形成仿真的工作場所，使教學(xué)過程變?yōu)樯a(chǎn)過程，學(xué)習(xí)任務(wù)變?yōu)楣ぷ魅蝿?wù)，使學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)過程中體驗工作過程.

傳統(tǒng)的PLC實驗教學(xué)是通過使用學(xué)校購買的PLC試驗箱來進行模擬實驗.學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)控制要求編寫梯形圖并輸入到PLC中,然后進行硬件接線, 在實驗箱的相關(guān)模擬區(qū)域上觀察最后輸出的運行結(jié)果.由于實驗采用模塊化設(shè)計，所有的被控對象均用發(fā)光二極管顯示[2].學(xué)生只能通過PLC輸入、輸出端口指示燈的亮滅來了解對應(yīng)端口的通斷狀態(tài)，如圖1所示.這種方法無法形象地顯示PLC輸入和輸出點的狀況，使得學(xué)生在程序運行調(diào)試過程中常常搞不清楚PLC實際的運行狀態(tài).對于電梯、洗衣機這些比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)而言，因為缺少相應(yīng)的硬件設(shè)備，只通過對應(yīng)指示燈的情況來模擬系統(tǒng)運行，演示效果并不直觀，學(xué)生很難理解整個控制過程，因而缺乏學(xué)習(xí)積極性，無法達到理想的教學(xué)效果.

圖1 PLC運行效果圖

為了解決以上問題，我們在PLC教學(xué)中引入了WinCC flexible仿真軟件.通過使用WinCC flexible仿真軟件，學(xué)生可以組態(tài)控制系統(tǒng)的畫面，用動畫的形式模擬實際控制對象的工作過程，演示效果形象生動，加深了學(xué)生對工業(yè)控制過程的感性認識，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有效提高了學(xué)生的動手能力，豐富了實驗教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容.且軟件成本低廉，無需維護，解決了實驗室設(shè)備使用不足的問題.

2 WinCC flexible軟件簡介

WinCC flexible是德國西門子公司生產(chǎn)的一款面向機器和過程的自動化概念的HMI 軟件，適用于各種人機界面應(yīng)用的組態(tài)，能將機器和設(shè)備整合在一起，便于工廠和機械工程中機器操作員進行控制和自動化過程監(jiān)測，使工廠更加透明和高效.它以機器和過程為向?qū)?，可嵌入面板于PC中，支持多種語言，全球通用.同時，它具有通用的應(yīng)用程序，可集成到各種自動化解決方案中，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域.

3 WinCC flexible在PLC實踐教學(xué)中的應(yīng)用實例

利用WinCC flexible 組態(tài)軟件仿真可編程控制器的控制對象，即先通過PLC編程軟件編寫相應(yīng)的控制系統(tǒng)程序，然后采用WinCC flexible，根據(jù)實際控制系統(tǒng)控制要求組態(tài)控制系統(tǒng)的運行畫面.畫面組態(tài)完畢后，利用變量編輯器創(chuàng)建PLC外部連接變量，將組態(tài)畫面中各對象地址和PLC地址一一對應(yīng)，并將PLC程序和設(shè)計的組態(tài)畫面進行通訊連接，這樣就可以在計算機屏幕上模擬運行控制系統(tǒng)的運行過程并觀測結(jié)果.在教學(xué)過程中，學(xué)生可將計算機仿真程序看作是被控對象，通過上位機組態(tài)軟件實現(xiàn)對PLC的實時控制.同時，控制結(jié)果又可以在計算機屏幕上以仿真動畫形式直觀明了地顯示出來，從而極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對該控制過程的理解[3].采用WinCC flexible組態(tài)軟件可以開發(fā)多種實驗項目，下面就以十字路口交通燈為例介紹WinCC flexible在PLC實踐教學(xué)中的應(yīng)用.

3.1 十字路口交通燈仿真系統(tǒng)控制要求

接通電源開關(guān)，當按下啟動按鈕SB1后，系統(tǒng)啟動.首先南北直行方向紅燈點亮并維持40秒后熄滅，熄滅后南北直行方向綠燈點亮.南北直行綠燈亮35秒后閃爍3秒熄滅，同時，此方向黃燈點亮2秒后熄滅.系統(tǒng)啟動同時，東西直行綠燈和東西左轉(zhuǎn)綠燈也點亮.東西左轉(zhuǎn)綠燈維持30秒.30秒時間到，東西左轉(zhuǎn)綠燈閃爍，閃爍3秒后熄滅，同時，東西左轉(zhuǎn)黃燈亮，并維持2秒后，東西左轉(zhuǎn)紅燈亮，維持45秒后熄滅，東西左轉(zhuǎn)綠燈再次點亮，周而復(fù)始.東西直行綠燈點亮方式與南北直行綠燈方式相同.系統(tǒng)運行一個周期時間為80秒.東西南北右轉(zhuǎn)燈在系統(tǒng)運行過程中始終為綠燈點亮，即右轉(zhuǎn)方向始終可以通行.東西方向和南北方向運行狀態(tài)相同.系統(tǒng)運行過程中，南北綠燈和東西綠燈不能同時亮.當按下停止按鈕，則所有燈熄滅.

3.2 PLC I/O分配表及外接線圖

根據(jù)上述控制要求，本系統(tǒng)共需要2點輸入，13點輸出.因此，我們選用的PC主機為24點輸入，16點輸出的SIMATIC S7-200 CPU226.其I/O分配表如表1所示，PLC外接線圖如圖2所示.

表1 I/O分配表

圖2 PLC外接線圖

3.3 PLC程序設(shè)計

這里采用順序功能圖的程序設(shè)計方法，首先繪制出整個交通燈系統(tǒng)的順序功能圖，然后根據(jù)順序功能圖，采用西門子STEP7編程軟件編寫系統(tǒng)PLC程序[4]，并將編寫好的程序下載到可編程控制器中運行調(diào)試.因為仿真平臺的輸入變量SB1、SB2要用組態(tài)軟件的圖形按鈕來表示，因此，這兩個輸入變量用中間變量來表示.這里用M2.0、M2.1分別代表啟動和停止按鈕.

3.4 組態(tài)仿真畫面的設(shè)計

根據(jù)交通燈的控制要求，利用WinCC flexible組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行組態(tài)畫面編輯，并使用TP 177B color PN/DP觸摸屏實現(xiàn)交通燈的模擬操作.圖3即為交通燈控制系統(tǒng)組態(tài)仿真畫面.畫面中設(shè)置了啟動和停止兩個控制按鈕，并設(shè)置了東南西北四個方向的交通指示燈.以朝北方向為例，在道路中間設(shè)置了兩組紅黃綠燈，這兩組燈分別表示直行方向和左轉(zhuǎn)方向的指示燈.轉(zhuǎn)角處有一個綠燈，表示右轉(zhuǎn)方向始終為綠燈通行狀態(tài).進行畫面動畫連接和設(shè)置時，應(yīng)該將每個圖形對象與PLC中的輸入、輸出變量一一對應(yīng)，當PLC程序中的變量狀態(tài)發(fā)生改變時，畫面的動畫效果也隨之改變.

圖3 交通燈組態(tài)畫面

3.5 控制系統(tǒng)運行調(diào)試

組態(tài)畫面設(shè)置完畢后，將PLC和觸摸屏進行通訊連接，PLC采用通訊端口0，PLC和觸摸屏的波特率均設(shè)置為9600.通訊成功后，就可以使用觸摸屏對交通燈進行模擬運行操作.當按下畫面中的啟動按鈕時，南北直行方向的紅燈、東西直行方向的綠燈、南北方向左轉(zhuǎn)紅燈、東西方向左轉(zhuǎn)綠燈及四個轉(zhuǎn)角處代表右轉(zhuǎn)的綠燈均為點亮狀態(tài).運行30秒后，東西左轉(zhuǎn)綠燈閃爍，閃爍3秒后熄滅，并點亮東西左轉(zhuǎn)黃燈，黃燈亮2秒后東西左轉(zhuǎn)紅燈亮.其他方向燈也按要求運行.按下停止按鈕后，所有燈均熄滅.

4 結(jié)論

在PLC教學(xué)實踐中，借助WinCC flexible組態(tài)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)仿真畫面，建立PLC實踐教學(xué)仿真模型，模擬系統(tǒng)運行的動畫效果，就可以將自動化控制現(xiàn)場帶入課堂[5]，既解決了PLC傳統(tǒng)教學(xué)中使用輸入、輸出指示燈的亮滅代替各種運行狀態(tài)的抽象性，又有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情和積極性，提高了學(xué)生實踐操作能力，使教學(xué)內(nèi)容更加生動豐富，達到了“教——學(xué)——做”一體化的教學(xué)目的.

參考文獻：

[1]曾喜娟.基于WinCC flexible組態(tài)軟件的仿真模型在教學(xué)實踐中的設(shè)計與實現(xiàn)[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,26(6):73-75.

[2]張學(xué)軍,劉海波,回文靜.組態(tài)技術(shù)在PLC實驗中的應(yīng)用[J].河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報,2010(4):36-38.

[3]史博.組態(tài)仿真軟件在高職PLC課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].遼寧高職學(xué)報,2010(6):33-34.

[4]陳永利,趙小霞.MCGS組態(tài)軟件在PLC教學(xué)中的應(yīng)用[J].濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2011(4):24-26.

[5]王惠莉.基于MCGS的仿真教學(xué)系統(tǒng)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2010(11):274-275.