柏艷紅,李 虹
(太原科技大學電子學院,山西太原 030024)
“PLC控制技術”是自動化和電氣工程及自動化專業(yè)的主干專業(yè)課之一,具有很強的應用性和實踐性,其實踐教學起著舉足輕重的作用[1]。為了培養(yǎng)學生的工程應用能力,順應高校“卓越工程師教育”和“工程教育專業(yè)認證”要求,適應當今社會對PLC控制技術人才的需求,我校建立了以西門子公司產(chǎn)品為主的自動化工程訓練中心,配備有西門子公司在工業(yè)控制領域的主流控制產(chǎn)品,還配有一些實物對象或者實物模擬對象[2]。
為充分挖掘訓練中心現(xiàn)有設備的功能,提高設備利用率,需要建立“PLC控制技術”實踐教學體系,包括制定訓練項目和訓練內(nèi)容、開發(fā)應用案例、編寫項目任務書或指導書、制定實訓教學計劃等方面。其中,訓練項目的制定是其它各項工作的基礎。本文基于現(xiàn)有硬件設備資源,依據(jù)“PLC控制技術”教學大綱的要求,結(jié)合PLC典型工程應用案例,開發(fā)“PLC控制技術”實踐教學訓練項目。
訓練中心現(xiàn)有硬件設備分為五類:①S7-200 PLC多功能實驗臺;②S7-300/400 PLC及分布式I/O從站;③觸摸屏、裝有CP5611通訊卡和 CP1613以太網(wǎng)卡的工控機等人機交互設備;④工業(yè)通訊網(wǎng)絡設備;⑤配有控制器或變頻器的交/直流電機、起重機模型、機械手、電熱鍋爐、模擬交通燈控制對象。
S7-200 PLC多功能實驗臺配備有模擬量輸入輸出、DP通訊、以太網(wǎng)通訊等擴展模塊,以及文本顯示器、繼電器和指示燈等電器元件,還有步進電機驅(qū)動的直線滑臺、變頻器驅(qū)動的交流電機等被控對象。
基于現(xiàn)有的硬件設備,可以完成很多貼近工程實際的訓練項目??刂茖ο蠛蚉LC可以自由組合,PLC之間可以組建網(wǎng)絡,工控機和觸摸屏也可以與PLC共同組建不同對象的監(jiān)控系統(tǒng),還可以構建基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP的工業(yè)控制網(wǎng)絡。下面按硬件設備分三大部分討論訓練項目的制定。
訓練中心的多功能實驗臺能夠進行基礎訓練項目。利用多功能實驗臺上和臺外的控制對象,構成各種單機控制系統(tǒng)。根據(jù)它們在實際系統(tǒng)中的應用,可以制定多種訓練項目。
本節(jié)分四類討論基于多功能實驗臺的訓練項目制定,包括異步電機變頻調(diào)速類、步進滑臺定位控制類、實物對象類、監(jiān)控和網(wǎng)絡控制類。
1)異步電機變頻調(diào)速類
異步電機變頻調(diào)速在各種機電設備、自動化生產(chǎn)線、過程控制領域廣泛應用,盡管對變頻調(diào)速的要求不盡相同,但歸納起來常用的主要有四大類:①多段速調(diào)速;②按設定波形無級調(diào)速;③按設定速度無級調(diào)速;④多臺電機協(xié)調(diào)運行。
根據(jù)這四類變頻調(diào)速要求,制定了變頻調(diào)速訓練項目,見表1。
表1 異步電機變頻調(diào)速訓練項目
訓練項目共有5項,它們結(jié)合常用的速度設定方式、速度檢測/顯示方法以及速度切換方式,給出了不同方案[3~5]。
2)步進滑臺定位控制類
步進電機驅(qū)動的直線滑臺也是各種機電設備、自動化生產(chǎn)線廣泛應用的一種裝置,用于定位控制。如:某自動生產(chǎn)線采取步進電機驅(qū)動搬運站的機械手裝置整體運動,步進電機的運動過程依次為原點、供料站、加工站、裝配站、分揀站、原點五個運動過程的循環(huán),為多點定位,為滿足定位精度和速度要求,采用加速啟動、勻速運行、接近定位點時的減速停車的變速運行方式,通過脈沖數(shù)實現(xiàn)定位;某藥柱切片機系統(tǒng)的工作臺由步進電機驅(qū)動,用于夾緊藥柱,運行時,工作臺向前走一片厚度的距離停止,切刀完成切片后,工作臺再進一片厚度尺寸,如此循環(huán)工作,直至完成設定切片數(shù),為低速運行多點定位,采用脈沖數(shù)實現(xiàn)定位;某物料搬運機械手由步進電機控制沿X軸與Y軸運動,要求兩臺電機順序動作[6-8]。另外,各設備都要求有回原點功能和點動運行功能,這兩種情況都采用低速勻速運行,回原點控制采用行程開關定位,點動采用按鈕控制定位。
綜合各種設備或生產(chǎn)線中定位控制的要求,主要有三類:兩點往復運行、多點定位、多臺電機順序或協(xié)調(diào)動作。根據(jù)運行速度和定位精度的不同要求,定位方式有低速勻速運行脈沖數(shù)定位、低速勻速運行行程開關定位、高速變速運行脈沖數(shù)定位和高速變速運行行程開關定位四種。根據(jù)上述定位控制要求,制定了步進滑臺訓練項目,根據(jù)定位切換方式,給出了一些選擇方案,見表2。
表2 步進滑臺定位控制訓練項目
各項目可選擇勻速脈沖數(shù)定位、勻速行程開關定位、變速脈沖數(shù)定位、變速行程開關定位等不同定位方式,可以選擇速度和位置固定或者采用TD400設置。
3)實物對象類
在S7-200PLC多功能實驗臺上,針對各控制對象的可選擇方案制定了訓練項目,見表3。各項目可選擇采用TD 400監(jiān)控或者按鈕控制。
表3 s7-200 PLC實物對象訓練項目
4)監(jiān)控和網(wǎng)絡控制類
PPI網(wǎng)絡具有成本低、編程容易和可靠性高等特點,常用于小型自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。如某自動配料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中,以一臺S7-200 PLC為主站,通過PPI通信方式管理3個S7-200 PLC從站。每個從站配有TD400C,監(jiān)控7種原料的重量及相關信息;主站配有觸摸屏,顯示整個系統(tǒng)生產(chǎn)信息,控制生產(chǎn)過程[9]。
PPI網(wǎng)絡控制系統(tǒng)主要結(jié)構功能為:一臺PLC主站管理多臺PLC從站;觸摸屏人機界面或上位機與主站通訊從而監(jiān)控整個系統(tǒng)運行,如圖1所示。
圖1 PPI控制網(wǎng)絡結(jié)構
根據(jù)實際系統(tǒng)控制要求和設備布局,每個從站可以配備文本顯示器或觸摸屏人機界面。PLC主站可以在現(xiàn)場,也可以在主控室(通訊距離在50 m內(nèi))。采用上位機監(jiān)控時,監(jiān)控軟件可以選擇組態(tài)王、MCGS和WinCC等組態(tài)軟件,也可以選擇VB、VC和LabVIEW等高級語言編程。
PPI網(wǎng)絡控制系統(tǒng)涉及的內(nèi)容較多,有PLC之間的PPI通訊、PLC與上位機的通訊、組態(tài)軟件使用、觸摸屏/文本顯示器的組態(tài)和各從站控制程序等,這里采用單元訓練和綜合訓練相結(jié)合的方式制定訓練課題。對于從站單機控制系統(tǒng),前面已經(jīng)制定了訓練項目,本節(jié)不再考慮。
當通訊距離較長、系統(tǒng)規(guī)模較大、要求實時性較強時,網(wǎng)絡控制系統(tǒng)通常采用基Profibus現(xiàn)場總線的一臺上位計算機監(jiān)控多臺PLC從站的網(wǎng)絡結(jié)構,上位機與每臺PLC直接通訊[10]。
結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件,制定的關于網(wǎng)絡控制的訓練項目見表4。
表4 s7-200 PLC監(jiān)控和網(wǎng)絡控制訓練項目
本科生開設的“PLC控制技術”課程重點講授的是S7-200 PLC基本原理和應用,高級訓練項目的目的是使學生在短時間內(nèi)掌握應用廣泛的S7-300/400 PLC。
高級訓練項目在S7-300/400 PLC實驗臺上進行。與該實驗臺配套的有4套變頻器驅(qū)動的異步電機和2套直流控制器驅(qū)動的直流電機,結(jié)合臺外實物模型對象,制定了S7-300/400 PLC訓練項目,包括:電機調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)、起重機監(jiān)控系統(tǒng)和機械手監(jiān)控系統(tǒng)。
根據(jù)人機界面、組態(tài)軟件和通訊協(xié)議的不同,可構成多種選擇方案。人機界面可選擇觸摸屏或上位機;組態(tài)軟件可采用WinCC、組態(tài)王和MCGS等;通訊方式可采用MPI、FROFIBUS和以太網(wǎng)等。
西門子PCS7過程控制系統(tǒng)開發(fā)平臺提供全集成的STEP7和WINCC,提供連續(xù)控制功能圖、順序控制功能圖、控制系統(tǒng)庫等適合過程控制的軟件包,采用統(tǒng)一的組態(tài)、通訊和數(shù)據(jù)管理功能,廣泛應用于電力、冶金、化工、制藥等工業(yè)自動化領域[11-13]。利用實驗室的S7-400/300/200 PLC、ET 200M、現(xiàn)場總線和以太網(wǎng),可以組成從簡單到復雜不同規(guī)模的PCS7網(wǎng)絡,結(jié)合各種電機和實物被控對象,制定了基于PCS7的自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)訓練項目,包括:機械手控制系統(tǒng)開發(fā)、起重機控制系統(tǒng)開發(fā)、交通燈控制系統(tǒng)開發(fā)、多臺電機運行監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)以及多臺設備運行監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)。
根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構形式的不同,每個項目具有多種選擇方案,如:操作員站+S7-300/400 PLC自動化站+ET 200M從站,操作員站+S7-400 PLC自動化站+多ET 200M/S7-200/S7-300從站,操作員站+多S7-300/400 PLC自動化站+多ET 200M/S7-200從站等,多操作員站+多S7-300/400 PLC自動化站+多ET 200M/S7-200從站等。
本文介紹了“PLC控制技術”實踐教學訓練項目:基于S7-200 PLC多功能實驗臺的基礎訓練項目,除了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)項目作為畢業(yè)設計課題外,其余均在課程設計中完成?;赟7-300/400 PLC的高級訓練項目和綜合自動化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)訓練項目均作為畢業(yè)設計課題。所有訓練項目都可以用于對PLC有興趣的大學生和研究生的課外學習。
大部分訓練項目已在近年來的教學中獲得應用,收到良好的教學效果。學生在開放的、先進的實驗設備上進行實驗,激發(fā)了學習興趣和主動性,動手能力和創(chuàng)新能力都得到提高,同時培養(yǎng)了學生的工程應用能力。
[1]魏艷紅,許昌,王桂榮,張遠輝.PLC課程實驗教學改革與探索[J].南京:電氣電子教學學報,2014,36(3):93-95
[2]羅正祥.工程教育專業(yè)認證及其對高校實踐教學的影響[J].上海:實驗室研究與探索,2008,27(6):1-3
[3]沈玉梅.PLC和變頻器在龍門刨床主拖動系統(tǒng)中的應用[J].南寧:裝備制造技術,2011(11):48-50
[4]田亞娟,郭麗穎.變頻恒壓供水PLC控制系統(tǒng)的設計[J].長沙:計算技術與自動化,2010,29(1):25-28
[5]吳偉,鄔冠華,喻金科.基于RS485的PLC與多臺變頻器通信的實現(xiàn)與應用[J].天津:自動化儀表,2005,26(9):55-57
[6]黃寧.S7-200 PLC在自動生產(chǎn)線中的應用[J].哈爾濱:自動化技術與應用,2009,28(9):86-89
[7]趙輝,張仁杰,肖輝.基于PLC控制的藥柱切片機系統(tǒng)[J].太原:機械工程與自動化,2013(8):144-145
[8]李勇成.基于PLC的步進電機控制在工業(yè)機械手中的應用[J].濟南:科技信息,2008(12):30-31
[9]惠健.一種基于PPI通信的自動配料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設計[J].南京:中國農(nóng)機化,2012(5):150-152
[10]鐘志峰.基于現(xiàn)場總線技術的煉鋼轉(zhuǎn)爐蓄熱式鋼包烘烤器系統(tǒng)[J].西安:工業(yè)儀表與自動化裝置,2007(5):54-56
[11]王海明.過程控制系統(tǒng)PCS7在化工精苯生產(chǎn)控制中的應用[J].鞍山:鞍鋼技術,2002(5):17-20
[12]周慶.PCS7過程控制在工業(yè)汽輪機控制系統(tǒng)中的應用[J].廣州:機床與液壓,2009,37(8):175-176
[13]李曉波,郭艷萍.Profibus現(xiàn)場總線在冷庫監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].北京:電氣應用,2006,25(1):114-116