在系统设计中学习PLC

张旭

（伊春职业学院 机电工程系，黑龙江 伊春 153000）

可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是电气信息类和机电类专业的主要专业课程之一，是一门知识覆盖面广（几乎涉及工业控制的各个领域）、涉及内容多、既强调理论而又偏重实践技术应用的课程，与实际生产和工程应用结合紧密，该课程的目标是让学生掌握一门非常实用的工业控制技术以及培养和提高学生的实际应用能力和动手能力[1]。在职业院校PLC教学中，主要侧重于梯形图、语句表、顺序功能图的程序设计，忽略了PLC控制系统的整体设计，而学习PLC的最终目的就是能把它应用到实际的工业控制系统中去。设计一个高效可靠的PLC控制系统，程序设计固然重要，但它只是整个系统的一个方面，而且不是孤立存在的。只有让学生彻底了解PLC从程序设计到组建PLC工作系统的全过程，才能真正学以致用。

在从事PLC的教学过程中，我发现在开课之初，大部分学生不十分了解PLC，甚至到期末结课时也不是很了解PLC到底能做什么或者如何应用到工业控制中去。那么，究竟如何才能真正做到有效地提高PLC的教育、教学质量呢？经过几年的教学实践和探索，我对以往的教学方法进行了大胆改进和创新，并取得了良好的效果[2]。

教学中首先要使学生明白PLC技术是在继电器-接触器控制基础上发展起来的，但是它的控制性能更优异、可靠性更高、施工周期短、体积小、功耗低、使用维护方便。PLC完全可以代替继电器-接触器控制电路，并且也日渐取代继电器-接触器控制系统，继电器-接触器控制电路也完全可以由PLC来改造，这在大部分的PLC教科书中均有阐述，不再赘述。这里要强调的是在设计PLC控制系统中学习PLC，学生在系统设计中肯定会遇到各种各样的问题，这样就要求学生带着问题，主动学习来解决问题，在问题的解决中提高自己。通过系统设计的实施，有利于进一步调动学生自主学习的积极性，有利于理论知识的全面理解和以系统的高度掌握PLC在所处的知识体系中的地位。

1 远程监控十字路口交通灯系统设计

有的工业现场的控制系统不适宜现场控制，或者来不及现场控制，这样就需要远程监控。“监”就是监视，是在计算机上制作一个动态画面，该画面可以完全模拟现场设备的动作；“控”就是控制，是指通过通信网络，在计算机上进行操控来控制现场设备的运行；“远程”是指监视和控制生产设备的监控者并不在生产现场。Kingview组态王是北京亚控科技发展有限公司开发的一种组态软件，它可以很容易地实现计算机与现场控制设备（例如PLC）的通信，和生成用户需要的有动画功能的的各种人机接口画面，实现远程监控[3]。

1.1 系统控制要求

用西门子S7-200PLC和组态王软件实现对十字路口交通灯（如图1所示，是一个十字路口交通灯控制模拟实验板）的远程监控，控制要求如下[4]：

图1 交通灯控制模拟实验板Fig．1 Simulating experimental board for controlling crossroads traffic light

1）工作人员在监控室通过起动按钮、停止按钮控制十字路口交通灯的开启和关闭；

2）工作人员在十字路口交通灯现场通过起动按钮SB1、停止按钮SB2也可以控制十字路口交通灯的开启和关闭；

3）开关合上之后，东西红灯亮并保持25 s，同时南北绿灯亮，保持20 s，20 s之后，南北绿灯闪亮3次（每周期1 s）后熄灭。继而南北黄灯亮并保持2 s后，南北黄灯灭，南北红灯亮并保持25 s，同时东西红灯灭，东西绿灯亮20 s，20 s之后，东西绿灯闪亮3次（每周期1 s）后熄灭。继而东西黄灯亮并保持2 s后，东西黄灯灭，东西红灯亮，同时南北红灯灭，南北绿灯亮。至此完成一个循环，其控制规律与PLC输出分配如图2所示。

图2 控制规律与PLC输出分配图Fig．2 Law of controlling and Fan-out allocation of PLC

4）要求监控画面显示与现场工作同步；

5）设置东西、南北方向通行标记，当东西或者南北方向通行时，相应方向上的标记或指示灯闪烁。

1.2 系统硬件设计

远程监控十字路口交通灯系统的硬件包括十字路口交通灯控制模拟实验板、S7-200PLC和计算机等。

本系统采用西门子S7-200PLC对实验板上模拟十字路口交通灯进行控制。PLC通过PC/PPI通信电缆与计算机串口连接，计算机既可用于PLC梯形图程序的写入和调试，又可作为上位机监控。

计算机通过与PLC的通信，读取PLC中的信息并显示在监控画面上，同时操作人员发出的控制信号写到PLC中，从而控制十字路口交通灯的动作。

远程监控十字路口交通灯的硬件连接如图3所示[5]。

图3 交通灯控制系统接线图Fig．3 System circuit diagram for controlling crossroads traffic light

1.3 组态王软件设计

交通灯控制系统的组态画面如图4所示，图中4个方向上的箭头标记即为东西、南北方向通行标记，当东西或者南北方向通行时，相应方向上的箭头标记闪烁。通过数据词典组态（如图5所示）定义系统变量，然后建立数据库变量与组态画面图素的动画连接，即完成了计算机和S7-200PLC的软件连接，从而实现组态王软件对十字路口交通灯控制系统运行情况的动态监控[6]。

图4 交通灯控制系统的组态画面Fig．4 System configuration screen diagram for controlling crossroads traffic light

1.4 PLC程序设计与调试

根据控制要求及PLC的输入输出端子分配，可设计PLC梯形图程序。使用STEP7-Micro/WIN软件编程时需要注意把监控画面起动按钮I/O离散变量M2．0、监控画面停止按钮I/O 离散变量 M2．1 与 SB1、SB2 的 PLC 输入端 I0．0、I0．1 并联来实现现场按钮和远程监控按钮的控制。其余的编程同学们可自行完成，完成后把梯形图程序下载到PLC中，调试通过。

图5 交通灯控制系统数据词典组态画面Fig．5 System configuration screen diagram of data dictionary for controlling crossroads traffic light

1.5 整体系统程序调试

检查系统接线无误后，接通PLC电源。然后在组态王的工程浏览器中单击“VIEW”图标，则进入组态王运行系统，屏幕显示“十字路口交通灯控制系统”画面。

用鼠标单击“起动”按钮，可以从屏幕上看到红绿灯的运行状态，同时与实验板上的红绿灯的运行状态保持一致。用鼠标单击“停止”按钮，屏幕上看到红绿灯全部熄灭，同时实验板上的红绿灯也全部熄灭。按下实验板上的起动按钮SB1、停止按钮SB2功能同上。当东西方向绿灯亮可以通行时，可以从屏幕上看到该方向上的箭头标记闪烁，南北方向红灯亮禁行，通行标志（箭头）消失，反之亦然。

如果十字路口交通灯控制系统动作以及画面显示的动作与控制要求不一致，则需要综合分析问题出现的原因，区分出是PLC控制问题还是组态王设置问题，然后根据具体情况具体分析[7]。

1.6 成 效

采用小组合作的方式组织学生进行系统设计，使学生体会只学习课本上的知识是完全不够用的，要想在未来的工作中始终立于不败之地，不落后于日新月异的新技术、新知识，就必须坚持自主学习、努力探索。通过整体系统的全程设计，学生们增加了团队协作观念，对已学过的知识加深了印象，对未知的领域进行了探索，熟悉了系统设计的内容和步骤，增强了动手能力、思考和学习能力以及对系统设计的整体把握能力，有利于培养学生的学习兴趣和树立学生终身学习的理念。

2 结 论

学生在进行系统设计时，一方面最大程度地调动了自主学习的积极性，另一方面又有利于对知识的全面理解和掌握。在设计中发现问题，解决问题，真正调动主观能动性，使学生形成良好的学习状态。在系统设计中运用理论知识，并在设计中拓展已有的理论知识，为日后的就业做好充分的知识和技能的储备。实践证明：在PLC教学中，坚持强调在系统设计中学习PLC，能够使学生真正学懂PLC。

[1]袁道香．PLC课程教学改革初探[J]．无锡南洋学院学报，2008，12（4）：15-18．

YUAN Dao-xiang．A preliminary study on PLC teaching reform[J]．Journal ofWuxi South Ocean College，2008，12（4）：15-18．

[2]许碧荣．电子专业PLC实验的教学改革与实践[J]．电子科技，2010（12）：112-113．

XU Bi-rong．The teaching reform and practice of PLC experiment for the electronic specialty[J]．Electronic Science and Technology，2010（12）：112-113．

[3]王淑红，魏建生．组态软件控制技术及应用[M]．中国电力出版社，2011．

[4]杜从商．PLC编程应用基础 （西门子）[M]．机械工业出版社，2010．

[5]廖常初．PLC编程及应用[M]．3版．机械工业出版社，2010．

[6]汪德彪，郝芸．计算机控制技术[M]．北京师范大学出版社，2010．

[7]姜建芳．西门子S7-200PLC工程应用技术教程[M]．机械工业出版社，2010．