(論文)可編程控制器課程設計的探索與實踐(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設計論文)

項目資助：1996 年、2007 年西門子公司自動化教育合作項目 1996 年哈爾濱工業(yè)大學“211 工程”教學與公共服務體系建設子項目 作者簡介：李久勝（1969） ，男，哈爾濱人，副教授，博士，西門子培訓中心客座教師。主要研究方向為自動化技術和交流 變頻傳動。通信地址：哈爾濱工業(yè)大學 354 信箱, 150001 手機Email：cn “可編程控制器”課程設計的探索與實踐 李久勝，陳宏鈞，楊華 （哈爾濱工業(yè)大學 西門子(哈爾濱)自動化培訓中心，黑龍江 哈爾濱 150001） 摘 要：在“可編程控制器”課程設計的開發(fā)和建設方面，西門子（哈爾濱）自動化培訓中心進行了不斷 的探索和實踐。在過去的 12 年里，培訓中心已開發(fā)出 6 個課程設計題目，并配套研制了三種實驗裝置。 本文首先總結了培訓中心開發(fā)課程設計的主要經(jīng)驗：第一選題是關鍵，所選設計題目既要貼近實際應用， 又應具備模擬調(diào)試的實驗條件。第二應注重開發(fā)綜合性課程設計，通過綜合性工程訓練提高學生的綜合能 力。最后介紹了培訓中心在研制實驗裝置方面值得借鑒的經(jīng)驗。 關鍵詞：可編程控制器；課程設計；實驗裝置 中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A Research on Project Design for Programmable Controller Course LI Jiusheng, Chen Hongjun, YANG Hua (Siemens Automation Training Center Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001) Abstract: The Project Design for Programmable Controller Course has been studied and practiced in Siemens Automation Training Center in Harbin recently years. During the past 12 years, 6 projects for course design and 3 kinds of experiment Kits have been developed. First of all, the paper concludes the main experience gained through these jobs: first, projects should be carefully selected so that they are close to application and can be practically debugged in laboratory second, synthesized project design should be emphasised because it will promote students synthesized skills. At last, methods to develop experiment Kits for these project designs are introduced. Keyword: Programmable Controller Project Design for Course Experiment Kits CLC number: G642.0 Document code:A 1 引言 “可編程控制器”是電氣工程及其自動化專業(yè) 的主干專業(yè)課程之一, 是一門知識覆蓋面廣、涉及 內(nèi)容多、更新發(fā)展快、強調(diào)理論而又偏重實踐應用 的課程, 與生產(chǎn)實際和工程應用結合緊密且應用廣 泛 1 。 許多院校在如何充分調(diào)動學生的積極性, 利用 各種教學方法和手段, 全面提高課程的教學質(zhì)量和 效果方面開展了很有成效的改革與實踐。 哈爾濱工業(yè)大學 （以后簡稱我校） 于 1996 年與 西門子公司合作建立了“西門子（哈爾濱）自動化 培訓中心” 。12 年來該中心與學校的教學工作緊密 結合， 不斷研制新的實驗裝置、 開發(fā)新的實驗內(nèi)容， 為我?！斑壿嬇c可編程控制器”課程提供了優(yōu)良的 實驗基地，對課程的建設和發(fā)展起到了極大的推動 作用，該課程已于 2006 年被評為校優(yōu)秀課程。 本文將介紹哈爾濱工業(yè)大學“西門子自動化培 訓中心” （以后簡稱培訓中心） ，在“可編程控制器” 課程建設方面所做的工作，重點總結培訓中心在課 程設計的開發(fā)和建設方面所取得的經(jīng)驗。第 2 部分 將介紹培訓中心的發(fā)展歷程和在課程建設方面所做 的工作。第 3 部分將介紹培訓中心開發(fā)課程設計的 經(jīng)驗。第 4 部分將介紹培訓中心研制實驗裝置的經(jīng) 驗。第 5 部分為結論。 2 培訓中心的發(fā)展歷程 西門子（哈爾濱）自動化培訓中心是根據(jù) 1996 年 6 月德國西門子公司與我校簽署的有關協(xié)議而共 同建設的，同時被列入我校“211 工程”教學與公 共服務體系的建設子項目。項目的建設內(nèi)容與總體 目標是： 1） 為西門子公司的客戶進行技術培訓， 使其成 為西門子公司在中國東北地區(qū)的技術服務窗口與重 要的“產(chǎn)學研”合作基地； 2） 為我校電氣工程與自動化專業(yè)的教學與科研 工作提供服務，使其成為具有國內(nèi)一流先進水平的 實驗教學與科研基地； 3） 加速推進電氣工程與自動化專業(yè)教學基礎設 施與國際的接軌， 使之在短期內(nèi)達到國際先進水平。 根據(jù)我校與德國西門子公司的合作協(xié)議，西門 子公司及其合作伙伴德國 Festo 公司陸續(xù)向我校捐 贈了幾批培訓設備和產(chǎn)品，為我校相關專業(yè)學生提 供了學習、掌握西門子公司最新的自動化和驅動技 術的良好的實驗條件。其中主要設備包含：西門子 公司捐贈的 SIMATIC S7-300 可編程控制器培訓裝 置、SIMATIC S7-200 可編程控制器、MicroMaster 變頻器和德國 Festo 捐贈的氣動生產(chǎn)系統(tǒng)培訓裝 置。 十二年來，為了配合本科教學改革，進一步加 強實踐性教學環(huán)節(jié)，培訓中心一直在積極探索實踐 性教學改革的有效途徑，努力增強對學生實踐能力 和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在充分利用培訓中心的已有資 源的基礎上，結合所服務的相關課程，開設了一系 列的實驗和課程設計，并開發(fā)和研制了配套的實驗 裝置。目前，本中心承擔了我校電氣工程系“邏輯 與可編程控制器” 、 “電氣傳動自動控制系統(tǒng)”兩門 課程的實驗和課程設計教學任務。 在服務于學校課程的同時，十多年來培訓中心 還舉辦了數(shù)十次面向企業(yè)的自動化和驅動技術的培 訓班，累計為西門子培訓客戶 600 余人次。通過這 些培訓，不僅幫助企業(yè)培訓了大量高水平的技術骨 干，也增進了我校與企業(yè)之間的聯(lián)系，拓展了我校 與這些企業(yè)的合作空間。 近年來，在學校的支持下，我中心積極參與西 門子公司的自動化教育合作項目，對中心原有的可 編程控制器等設備進行了升級，并結合當前自動化 技術的新發(fā)展，增添了最新的控制網(wǎng)絡類產(chǎn)品。此 外，通過與西門子標準驅動部的合作，對原有的變 頻器和機組也進行了升級換代。目前，培訓中心設 備的先進性、產(chǎn)品種類的多樣性、自動化系統(tǒng)的完 整性，均已達到了很高的水準。經(jīng)過十年的建設， 現(xiàn)在培訓中心已基本形成了一個具備學生教學、技 術培訓及科研開發(fā)等功能的一流自動化技術中心。 3 課程設計的探索與實踐 目前“實踐才是工科專業(yè)的根本”已成為國際 高等工程教育界的共識 2 。美、日等國工科專業(yè)的 實踐教學時數(shù)已占總學時的 3540。我國的工科 教育也越來越重視實踐教學，近年來隨著新的教學 計劃的修訂,實驗、 課程設計等實踐環(huán)節(jié)在整個教學 計劃中的比重明顯增大 3 。 “可編程控制器”課程是一門實踐性很強的課 程，實驗和課程設計等實踐環(huán)節(jié)在教學中占據(jù)十分 重要的地位。 與驗證性實驗相比較， 設計性實驗 （即 課程設計）在培養(yǎng)學生動手能力方面的作用更大。 為了加強“可編程控制器”課程的實踐性教學 環(huán)節(jié)， 培訓中心從 1998 年起開設了 “可編程控制器” 課程設計。該課程設計要求學生針對具體的控制對 象，根據(jù)設計任務書的要求，獨立完成控制流程的 設計并編寫調(diào)試復雜的控制程序。課程設計的目的 是培養(yǎng)學生綜合運用理論知識分析和解決實際問題 的方法和能力，實現(xiàn)由知識向技能的初步轉化。通 過課程設計既可提高學生的動手能力,又有利于學 生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學生圓滿地完成課程設計后， 就基本上具備了完成類似的實際工程設計任務的能 力。課程設計的開發(fā)和實施可分為三個階段： 階段一：直接利用培訓中心現(xiàn)有設備開發(fā)課程 設計題目。 1998 年， 利用西門子公司提供的 S7-300 PLC 和生產(chǎn)線傳動帶模型（如圖 1 所示）開發(fā)了的 第 1 個課程設計題目： 生產(chǎn)線傳送帶控制程序設計。 1999 年又利用 FESTO 公司提供的氣動生產(chǎn)系統(tǒng)（如 圖 2 所示） ， 開發(fā)了第 2 個課程設計的題目： 氣動生 產(chǎn)系統(tǒng)控制程序設計。 圖 1 生產(chǎn)線傳送帶模型 圖 2 氣動生產(chǎn)系統(tǒng) 階段二：自主研制新的實驗設備，豐富課程設 計內(nèi)容。2000 年，培訓中心利用 S7-200 PLC，研制 了電梯模型（如圖 3 所示）和交通信號燈模型（如 圖 4 所示）兩種新的實驗設備，在此基礎上增設了 2 個課程設計題目：電梯升降系統(tǒng)控制程序設計和 交通信號燈控制程序設計。經(jīng)過上述兩個階段的建 設， “可編程控制器” 課程設計的建設工作基本完成， 形成了有4 個設計題目， 22 臺實驗設備的實驗規(guī)模。 圖 3 電梯模型 圖 4 交通信號燈模型 階段三： 將可編程控制器與其它課程結合， 開設 綜合性課程設計。為了培養(yǎng)學生綜合運用多門課程 所學知識，解決實際工程問題的能力，2002 年培訓 中心將 PLC 技術與“電力傳動自動控制系統(tǒng)”課程 相結合，開設了以交流調(diào)速系統(tǒng)為核心的綜合性課 程設計，并研制了由 S7 200 PLC、西門子 G120 變 頻器和控制對象模擬器組成的實驗平臺（如圖 5 所 示） 。 該課程設計有兩個設計題目： 龍門刨床刨臺變 頻調(diào)速系統(tǒng)設計和變頻恒壓給水控制系統(tǒng)設計。 過去 12 年里， 培訓中心不斷研究課程設計的教 學規(guī)律，不斷開發(fā)新的設計內(nèi)容和實驗裝置，在探 索和實踐過程中，對于課程設計教學環(huán)節(jié)的建設， 逐漸總結出以下幾點體會和認識： 圖 5 交流調(diào)速實驗平臺 1 選擇合適的設計題目是搞好 “可編程序控制 器”課程設計的關鍵。我們在選題時主要考慮了以 下幾個因素： 1） 選題應廣泛且貼近工業(yè)應用或日常生活， 有 利于開闊同學們的眼界，同時有利于同學們對設計 任務的理解和掌握。 2） 選題應具有典型意義， 使得該設計中用到的 方法還可用來解決很多類似的問題，保證設計的實 用價值。 3） 設計內(nèi)容應具有一定的復雜性， 使學生在編 程中能用到多種指令， 并培養(yǎng)完成復雜任務的能力。 我們?yōu)椤翱删幊绦蚩刂破鳌闭n程設計選擇的四 個題目不僅符合上述要求，而且具有以下特色： 1） 題材廣泛。 其中生產(chǎn)線傳送帶和氣動生產(chǎn)系 統(tǒng)兩題屬于 PLC 的典型工業(yè)應用，電梯和交通燈兩 題是 PLC 在日常生活中的應用。 2） 實用價值高。 完成生產(chǎn)線傳送帶和電梯控制 兩題主要應用“邏輯控制”方法，而氣動生產(chǎn)系統(tǒng) 和交通燈控制兩題目中主要應用“順序控制”方 法， 它們代表了可編程序控制的兩種主要設計方法。 3） PLC 品種齊全。 生產(chǎn)線傳送帶的控制器采用 S7 300 系列 PLC， 氣動生產(chǎn)系統(tǒng)采用 S5 100U 系列 的 PLC 作為控制器，這些控制器屬于中高性能的 PLC，可采用先進的結構化編程方法；電梯和交通 燈兩題目中采用 S7 200 系列 PLC,可實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊 的功能。在課程設計中，學生幾乎可接觸到西門子 所有系列的 PLC 產(chǎn)品，極大地擴展了學生的視野。 2 課程設計應具備基本的實驗條件, 可以模擬 調(diào)試, 操作性強 4 。模擬調(diào)試可直觀地檢驗設計的 正確性，及時地發(fā)現(xiàn)存在的問題, 然后通過學生自 己查找和教師指導予以解決。通過模擬調(diào)試，可以 發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，更好地達到理論 聯(lián)系實際的目的。 模擬調(diào)試的另一個好處是,調(diào)試的 成功會給學生帶來很大的鼓舞和成就感，能夠激發(fā) 學習興趣， 提高學生對課程設計的參與性和積極性。 “可編程序控制器”課程設計的四個題目，都 具備良好實驗條件，可以進行逼真的模擬調(diào)試。其 中，生產(chǎn)線傳送帶和氣動生產(chǎn)系統(tǒng)是培訓中心原有 的實驗設備，電梯和交通燈模型是我們?yōu)榱伺浜险n 程設計研制的新裝置。 3 應提供足夠數(shù)量的設計題目和實驗設備, 以 減少同組學生人數(shù),提高設計質(zhì)量。 提供較多的設計 題目，既可使同學們依據(jù)個人興趣選擇題目，從而 提高學習興趣， 又可有效地減少設計中的抄襲現(xiàn)象。 具有足夠的實驗設備，可以減少每個設計小組的人 數(shù)，增加人均參與的機會，避免部分學生的依賴思 想。 4 課題的總體難度應適中， 符合大部分學生的 一般水平；又應包含不同的層次，以滿足不同層次 學生的需求 5 。每個課題可細分為基本要求和較高 要求兩個層次，依次增加控制要求。以電梯和交通 等為例，電梯升降控制和交通燈定時變換功能作為 設計的基本要求，而多個裝置間的通信功能和協(xié)調(diào) 控制作為擴展功能，能力較強的同學在完成基本功 能后可繼續(xù)實現(xiàn)擴展功能，接受更高層次的工程訓 練。 5積極開發(fā)為多門課程服務的綜合性課程設 計，提高學生的綜合素質(zhì)。一般的課程設計只是為 某一門課程服務，實際上一個專業(yè)方向的各門課程 之間是緊密聯(lián)系、不可分割的一個整體。綜合性課 程設計為學生提供了綜合應用知識的平臺,將有助 于學生將多門課程所學知識融會貫通、靈活應用， 從而提高學生的綜合能力,對提高學生的學習興趣、 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力起到了積極的推動 作用 6 。培訓中心開發(fā)的“交流調(diào)速系統(tǒng)”課程設 計，包括“刨臺變頻調(diào)速”和“變頻恒壓給水”兩 個選題，都是變頻技術的典型應用。該課程設計內(nèi) 容豐富，所需運用的知識涵蓋了可編程控制、自動 控制理論、電力電子技術、電力傳動自動控制系統(tǒng) 等多門課程，是一個綜合性課程設計，符合當前實 驗教學改革的發(fā)展趨勢。 4 實驗裝置的開發(fā)和研制 目前， 很多國外大公司都開展了大學合作計劃， 旨在通過與國內(nèi)知名的工科院校展開合作，在師資 培訓、工程教育和學科建設等領域推動相關技術在 中國高等院校的普及和應用。其中向大學捐贈設備 建立聯(lián)合實驗室是一種重要的合作形式。我校的西 門子培訓中心就是以此種形式建立起來的。由這些 公司捐贈的設備，一般為該公司的知名產(chǎn)品，該產(chǎn) 品一般需要配套一定的實驗裝置才能夠開設實驗。 因此在建立聯(lián)合實驗室的過程中，為公司所捐贈的 設備配套必要的實驗裝置是十分普遍的現(xiàn)象。與捐 贈設備配套的完全合適的實驗裝置一般不容易買 到，所以往往需要使用方自行研制。 自行研制實驗設備的好處是，實驗裝置可根據(jù) 各校教學的具體情況量身定做，所以能夠更好地與 課程相結合，并體現(xiàn)出不同的培養(yǎng)特色。浙江大學 城市學院研制的可編程控制實驗裝置有以下特點 7 : 一是將繼電接觸控制和PLC控制兩種控制系統(tǒng)相 互結合; 二是從設計思想、器件選用到線路連接都 考慮到要符合工業(yè)應用, 使實驗裝置盡可能接近工 業(yè)現(xiàn)場使用的情況。 自制實驗裝置使新建PLC實驗室 特色明顯, 而且因其選用的是西門子PLC而顯示出 其先進的水平。北京理工大學自動化系研制了一款 可編程序控制器教學實驗臺,通過該實驗臺,學生可 以自由進行可編程序控制器的數(shù)字量、模擬量輸入 輸出實驗,可以應用PLC 控制氣動機械手的順序搬 運動作 8 。該實驗臺是一個典型的機、電、氣動、 計算機一體化的實驗裝置,通過它可以熟悉氣動系 統(tǒng)、電子技術以及計算機系統(tǒng)的信號傳遞和控制功 能。該實驗臺在可編程序控制器的課程建設與教學 中取得了很好的效果。 我培訓中心為滿足課程設計的需要，利用培訓 中心已有的PLC和變頻器等產(chǎn)品， 開發(fā)和研制了一組 實驗設備：包括為電梯控制題目研制的電梯升降模 型（圖3）、為交通燈控制題目研制的交通信號燈模 型 （圖4） 和為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研制的控制對象模 擬器。研制過程可分為兩個階段： 第一階段：利用數(shù)字電路設計被控對象模型。 培訓中心早期研制的電梯升降模型和交通信號燈模 型的特性較為簡單。我們采用計數(shù)器、譯碼器等集 成電路，配合指示燈來模擬電梯的升降運動，模型 的結構如圖6所示， 實物見圖3。 而交通信號燈模型， 則采用數(shù)碼撥輪來設定變換時間、采用數(shù)碼管來指 示信號燈持續(xù)的時間， 譯碼器作為數(shù)碼管與PLC間的 接口，模型的結構如圖7所示，實物見圖4。這兩個 模型制作便利，成本低，工作可靠，可靈活地與不 同型號的PLC配合使用，很適合推廣使用。 操作面板 O I 升降 模擬器 呼叫按鈕 及指示燈 轎箱位置 指示燈 路由器 S7200 CPU214 編程器 樓宇控 制中心 電梯升降模型 圖 6 電梯升降模型的結構 操作面板 O I 數(shù)碼顯示 譯碼器 數(shù)碼撥輪 及按鈕 數(shù)碼管 及信號燈 路由器 S7200 CPU214 編程器 電梯升 降系統(tǒng) 交通信號燈模型 圖 7 交通信號燈模型的結構 第二階段： 利用單片機設計被控對象模型。 “交 流調(diào)速系統(tǒng)”課程設計，包括“刨臺變頻調(diào)速”和 “變頻恒壓給水”兩個選題，與其配套的實驗裝置 應能夠模擬刨臺運動和泵站給水的功能，這些功能 較為復雜，所以我們采用單片機來實現(xiàn)對其功能的 模擬。以刨臺變頻調(diào)速題目為例，模擬調(diào)試的實驗 系統(tǒng)的總體結構如圖 8 所示，實物圖如圖 5 所示。 模擬器接受變頻器發(fā)出的輸出頻率信號，判斷出刨 臺運動的方向和速度，然后利用模擬器上光柱的運 動來代表刨臺的運動，同時還可給出刨臺位置的檢 測信號，并通過接線盒連接到 PLC 的輸入，作為被 控對象的反饋信號。有了模擬器后，控制系統(tǒng)的結 構就完整了，可以像在實際系統(tǒng)上一樣進行逼真的 調(diào)試，以檢驗硬件和軟件設計的正確性。模擬器對 被控對象的模擬是通過單片機中的軟件實現(xiàn)的，因 此， 在同一個模擬器上即可模擬刨床刨臺運動軌跡， 也可模擬恒壓給水管路的壓力變化。 圖 8 龍門刨床刨臺運動控制系統(tǒng)的結構 控制對象模擬器的外觀如圖 8 所示。上面的三 個接口用于連接 PLC 和變頻器的控制信號，這些控 制信號都反映在下面的接線端子上，學生可根據(jù)自 己的設計方案實現(xiàn)不同的信號連接關系。接口下方 的一排光柱用來模擬刨臺的運動軌跡，其右下方的 數(shù)碼管用于顯示刨臺運動速度。數(shù)碼管下方的指示 燈和電位器、按鈕、開關燈代表實際設備的操作面 板上的發(fā)令和指示元件，這些信號也連接到接線端 子上。 圖 9 控制對象模擬器 培訓中心研制的控制對象模擬器采用基于單片 機的電子模擬方案，性能價格比高，是一種先進的 模擬器設計方法。模擬器的核心部分采用新一代的 PIC 單片機 PIC16F986A，價格低廉、可靠性高；支 持路內(nèi)調(diào)試功能，開發(fā)成本低，非常適合于在教學 領域使用。該模擬器，提供標準的信號接口，可連 接任何廠家的 PLC 和變頻器，通用性強。同時，該 模擬器既可作為可編程控制器或自控理論實驗的對 象模擬器，也可作為變頻器實驗的對象模擬器，適 用的課程較多。總之，該模擬器功能豐富、制作方 便、使用靈活，具有很高的推廣應用價值。 5 結論 經(jīng)過 12 年的建設和發(fā)展，西門子（哈爾濱）自 動化培訓中