(論文)可編程控制器課程設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文)

項(xiàng)目資助：1996 年、2007 年西門子公司自動(dòng)化教育合作項(xiàng)目 1996 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)“211 工程”教學(xué)與公共服務(wù)體系建設(shè)子項(xiàng)目 作者簡(jiǎn)介：李久勝（1969） ，男，哈爾濱人，副教授，博士，西門子培訓(xùn)中心客座教師。主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)和交流 變頻傳動(dòng)。通信地址：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 354 信箱, 150001 手機(jī)Email：cn “可編程控制器”課程設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐 李久勝，陳宏鈞，楊華 （哈爾濱工業(yè)大學(xué) 西門子(哈爾濱)自動(dòng)化培訓(xùn)中心，黑龍江 哈爾濱 150001） 摘 要：在“可編程控制器”課程設(shè)計(jì)的開發(fā)和建設(shè)方面，西門子（哈爾濱）自動(dòng)化培訓(xùn)中心進(jìn)行了不斷 的探索和實(shí)踐。在過去的 12 年里，培訓(xùn)中心已開發(fā)出 6 個(gè)課程設(shè)計(jì)題目，并配套研制了三種實(shí)驗(yàn)裝置。 本文首先總結(jié)了培訓(xùn)中心開發(fā)課程設(shè)計(jì)的主要經(jīng)驗(yàn)：第一選題是關(guān)鍵，所選設(shè)計(jì)題目既要貼近實(shí)際應(yīng)用， 又應(yīng)具備模擬調(diào)試的實(shí)驗(yàn)條件。第二應(yīng)注重開發(fā)綜合性課程設(shè)計(jì)，通過綜合性工程訓(xùn)練提高學(xué)生的綜合能 力。最后介紹了培訓(xùn)中心在研制實(shí)驗(yàn)裝置方面值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：可編程控制器；課程設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)裝置 中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)化專業(yè) 的主干專業(yè)課程之一, 是一門知識(shí)覆蓋面廣、涉及 內(nèi)容多、更新發(fā)展快、強(qiáng)調(diào)理論而又偏重實(shí)踐應(yīng)用 的課程, 與生產(chǎn)實(shí)際和工程應(yīng)用結(jié)合緊密且應(yīng)用廣 泛 1 。 許多院校在如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性, 利用 各種教學(xué)方法和手段, 全面提高課程的教學(xué)質(zhì)量和 效果方面開展了很有成效的改革與實(shí)踐。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) （以后簡(jiǎn)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(dòng)化 培訓(xùn)中心” 。12 年來該中心與學(xué)校的教學(xué)工作緊密 結(jié)合， 不斷研制新的實(shí)驗(yàn)裝置、 開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)基地，對(duì)課程的建設(shè)和發(fā)展起到了極大的推動(dòng) 作用，該課程已于 2006 年被評(píng)為校優(yōu)秀課程。 本文將介紹哈爾濱工業(yè)大學(xué)“西門子自動(dòng)化培 訓(xùn)中心” （以后簡(jiǎn)稱培訓(xùn)中心） ，在“可編程控制器” 課程建設(shè)方面所做的工作，重點(diǎn)總結(jié)培訓(xùn)中心在課 程設(shè)計(jì)的開發(fā)和建設(shè)方面所取得的經(jīng)驗(yàn)。第 2 部分 將介紹培訓(xùn)中心的發(fā)展歷程和在課程建設(shè)方面所做 的工作。第 3 部分將介紹培訓(xùn)中心開發(fā)課程設(shè)計(jì)的 經(jīng)驗(yàn)。第 4 部分將介紹培訓(xùn)中心研制實(shí)驗(yàn)裝置的經(jīng) 驗(yàn)。第 5 部分為結(jié)論。 2 培訓(xùn)中心的發(fā)展歷程 西門子（哈爾濱）自動(dòng)化培訓(xùn)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(guān)協(xié)議而共 同建設(shè)的，同時(shí)被列入我?！?11 工程”教學(xué)與公 共服務(wù)體系的建設(shè)子項(xiàng)目。項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容與總體 目標(biāo)是： 1） 為西門子公司的客戶進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)， 使其成 為西門子公司在中國東北地區(qū)的技術(shù)服務(wù)窗口與重 要的“產(chǎn)學(xué)研”合作基地； 2） 為我校電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)與科研 工作提供服務(wù)，使其成為具有國內(nèi)一流先進(jìn)水平的 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研基地； 3） 加速推進(jìn)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)基礎(chǔ)設(shè) 施與國際的接軌， 使之在短期內(nèi)達(dá)到國際先進(jìn)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(zèng)了幾批培訓(xùn)設(shè)備和產(chǎn)品，為我校相關(guān)專業(yè)學(xué)生提 供了學(xué)習(xí)、掌握西門子公司最新的自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)技 術(shù)的良好的實(shí)驗(yàn)條件。其中主要設(shè)備包含：西門子 公司捐贈(zèng)的 SIMATIC S7-300 可編程控制器培訓(xùn)裝 置、SIMATIC S7-200 可編程控制器、MicroMaster 變頻器和德國 Festo 捐贈(zèng)的氣動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)培訓(xùn)裝 置。 十二年來，為了配合本科教學(xué)改革，進(jìn)一步加 強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，培訓(xùn)中心一直在積極探索實(shí)踐 性教學(xué)改革的有效途徑，努力增強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力 和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在充分利用培訓(xùn)中心的已有資 源的基礎(chǔ)上，結(jié)合所服務(wù)的相關(guān)課程，開設(shè)了一系 列的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，并開發(fā)和研制了配套的實(shí)驗(yàn) 裝置。目前，本中心承擔(dān)了我校電氣工程系“邏輯 與可編程控制器” 、 “電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”兩門 課程的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)。 在服務(wù)于學(xué)校課程的同時(shí)，十多年來培訓(xùn)中心 還舉辦了數(shù)十次面向企業(yè)的自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的培 訓(xùn)班，累計(jì)為西門子培訓(xùn)客戶 600 余人次。通過這 些培訓(xùn)，不僅幫助企業(yè)培訓(xùn)了大量高水平的技術(shù)骨 干，也增進(jìn)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(xué)校的支持下，我中心積極參與西 門子公司的自動(dòng)化教育合作項(xiàng)目，對(duì)中心原有的可 編程控制器等設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)，并結(jié)合當(dāng)前自動(dòng)化 技術(shù)的新發(fā)展，增添了最新的控制網(wǎng)絡(luò)類產(chǎn)品。此 外，通過與西門子標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)部的合作，對(duì)原有的變 頻器和機(jī)組也進(jìn)行了升級(jí)換代。目前，培訓(xùn)中心設(shè) 備的先進(jìn)性、產(chǎn)品種類的多樣性、自動(dòng)化系統(tǒng)的完 整性，均已達(dá)到了很高的水準(zhǔn)。經(jīng)過十年的建設(shè)， 現(xiàn)在培訓(xùn)中心已基本形成了一個(gè)具備學(xué)生教學(xué)、技 術(shù)培訓(xùn)及科研開發(fā)等功能的一流自動(dòng)化技術(shù)中心。 3 課程設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐 目前“實(shí)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(shí) 2 。美、日等國工科專業(yè)的 實(shí)踐教學(xué)時(shí)數(shù)已占總學(xué)時(shí)的 3540。我國的工科 教育也越來越重視實(shí)踐教學(xué)，近年來隨著新的教學(xué) 計(jì)劃的修訂,實(shí)驗(yàn)、 課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)在整個(gè)教學(xué) 計(jì)劃中的比重明顯增大 3 。 “可編程控制器”課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課 程，實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中占據(jù)十分 重要的地位。 與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相比較， 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) （即 課程設(shè)計(jì)）在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力方面的作用更大。 為了加強(qiáng)“可編程控制器”課程的實(shí)踐性教學(xué) 環(huán)節(jié)， 培訓(xùn)中心從 1998 年起開設(shè)了 “可編程控制器” 課程設(shè)計(jì)。該課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生針對(duì)具體的控制對(duì) 象，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，獨(dú)立完成控制流程的 設(shè)計(jì)并編寫調(diào)試復(fù)雜的控制程序。課程設(shè)計(jì)的目的 是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問題 的方法和能力，實(shí)現(xiàn)由知識(shí)向技能的初步轉(zhuǎn)化。通 過課程設(shè)計(jì)既可提高學(xué)生的動(dòng)手能力,又有利于學(xué) 生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生圓滿地完成課程設(shè)計(jì)后， 就基本上具備了完成類似的實(shí)際工程設(shè)計(jì)任務(wù)的能 力。課程設(shè)計(jì)的開發(fā)和實(shí)施可分為三個(gè)階段： 階段一：直接利用培訓(xùn)中心現(xiàn)有設(shè)備開發(fā)課程 設(shè)計(jì)題目。 1998 年， 利用西門子公司提供的 S7-300 PLC 和生產(chǎn)線傳動(dòng)帶模型（如圖 1 所示）開發(fā)了的 第 1 個(gè)課程設(shè)計(jì)題目： 生產(chǎn)線傳送帶控制程序設(shè)計(jì)。 1999 年又利用 FESTO 公司提供的氣動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)（如 圖 2 所示） ， 開發(fā)了第 2 個(gè)課程設(shè)計(jì)的題目： 氣動(dòng)生 產(chǎn)系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)。 圖 1 生產(chǎn)線傳送帶模型 圖 2 氣動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng) 階段二：自主研制新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，豐富課程設(shè) 計(jì)內(nèi)容。2000 年，培訓(xùn)中心利用 S7-200 PLC，研制 了電梯模型（如圖 3 所示）和交通信號(hào)燈模型（如 圖 4 所示）兩種新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在此基礎(chǔ)上增設(shè)了 2 個(gè)課程設(shè)計(jì)題目：電梯升降系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)和 交通信號(hào)燈控制程序設(shè)計(jì)。經(jīng)過上述兩個(gè)階段的建 設(shè)， “可編程控制器” 課程設(shè)計(jì)的建設(shè)工作基本完成， 形成了有4 個(gè)設(shè)計(jì)題目， 22 臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)規(guī)模。 圖 3 電梯模型 圖 4 交通信號(hào)燈模型 階段三： 將可編程控制器與其它課程結(jié)合， 開設(shè) 綜合性課程設(shè)計(jì)。為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多門課程 所學(xué)知識(shí)，解決實(shí)際工程問題的能力，2002 年培訓(xùn) 中心將 PLC 技術(shù)與“電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程 相結(jié)合，開設(shè)了以交流調(diào)速系統(tǒng)為核心的綜合性課 程設(shè)計(jì)，并研制了由 S7 200 PLC、西門子 G120 變 頻器和控制對(duì)象模擬器組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖 5 所 示） 。 該課程設(shè)計(jì)有兩個(gè)設(shè)計(jì)題目： 龍門刨床刨臺(tái)變 頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和變頻恒壓給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 過去 12 年里， 培訓(xùn)中心不斷研究課程設(shè)計(jì)的教 學(xué)規(guī)律，不斷開發(fā)新的設(shè)計(jì)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)裝置，在探 索和實(shí)踐過程中，對(duì)于課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)， 逐漸總結(jié)出以下幾點(diǎn)體會(huì)和認(rèn)識(shí)： 圖 5 交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 1 選擇合適的設(shè)計(jì)題目是搞好 “可編程序控制 器”課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。我們?cè)谶x題時(shí)主要考慮了以 下幾個(gè)因素： 1） 選題應(yīng)廣泛且貼近工業(yè)應(yīng)用或日常生活， 有 利于開闊同學(xué)們的眼界，同時(shí)有利于同學(xué)們對(duì)設(shè)計(jì) 任務(wù)的理解和掌握。 2） 選題應(yīng)具有典型意義， 使得該設(shè)計(jì)中用到的 方法還可用來解決很多類似的問題，保證設(shè)計(jì)的實(shí) 用價(jià)值。 3） 設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)具有一定的復(fù)雜性， 使學(xué)生在編 程中能用到多種指令， 并培養(yǎng)完成復(fù)雜任務(wù)的能力。 我們?yōu)椤翱删幊绦蚩刂破鳌闭n程設(shè)計(jì)選擇的四 個(gè)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(dòng)生產(chǎn)系 統(tǒng)兩題屬于 PLC 的典型工業(yè)應(yīng)用，電梯和交通燈兩 題是 PLC 在日常生活中的應(yīng)用。 2） 實(shí)用價(jià)值高。 完成生產(chǎn)線傳送帶和電梯控制 兩題主要應(yīng)用“邏輯控制”方法，而氣動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng) 和交通燈控制兩題目中主要應(yīng)用“順序控制”方 法， 它們代表了可編程序控制的兩種主要設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)的結(jié)構(gòu)化編程方法；電梯和交通 燈兩題目中采用 S7 200 系列 PLC,可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊 的功能。在課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生幾乎可接觸到西門子 所有系列的 PLC 產(chǎn)品，極大地?cái)U(kuò)展了學(xué)生的視野。 2 課程設(shè)計(jì)應(yīng)具備基本的實(shí)驗(yàn)條件, 可以模擬 調(diào)試, 操作性強(qiáng) 4 。模擬調(diào)試可直觀地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的 正確性，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)存在的問題, 然后通過學(xué)生自 己查找和教師指導(dǎo)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(dá)到理論 聯(lián)系實(shí)際的目的。 模擬調(diào)試的另一個(gè)好處是,調(diào)試的 成功會(huì)給學(xué)生帶來很大的鼓舞和成就感，能夠激發(fā) 學(xué)習(xí)興趣， 提高學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)的參與性和積極性。 “可編程序控制器”課程設(shè)計(jì)的四個(gè)題目，都 具備良好實(shí)驗(yàn)條件，可以進(jìn)行逼真的模擬調(diào)試。其 中，生產(chǎn)線傳送帶和氣動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)是培訓(xùn)中心原有 的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，電梯和交通燈模型是我們?yōu)榱伺浜险n 程設(shè)計(jì)研制的新裝置。 3 應(yīng)提供足夠數(shù)量的設(shè)計(jì)題目和實(shí)驗(yàn)設(shè)備, 以 減少同組學(xué)生人數(shù),提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。 提供較多的設(shè)計(jì) 題目，既可使同學(xué)們依據(jù)個(gè)人興趣選擇題目，從而 提高學(xué)習(xí)興趣， 又可有效地減少設(shè)計(jì)中的抄襲現(xiàn)象。 具有足夠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以減少每個(gè)設(shè)計(jì)小組的人 數(shù)，增加人均參與的機(jī)會(huì)，避免部分學(xué)生的依賴思 想。 4 課題的總體難度應(yīng)適中， 符合大部分學(xué)生的 一般水平；又應(yīng)包含不同的層次，以滿足不同層次 學(xué)生的需求 5 。每個(gè)課題可細(xì)分為基本要求和較高 要求兩個(gè)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(shí)變換功能作為 設(shè)計(jì)的基本要求，而多個(gè)裝置間的通信功能和協(xié)調(diào) 控制作為擴(kuò)展功能，能力較強(qiáng)的同學(xué)在完成基本功 能后可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能，接受更高層次的工程訓(xùn) 練。 5積極開發(fā)為多門課程服務(wù)的綜合性課程設(shè) 計(jì)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。一般的課程設(shè)計(jì)只是為 某一門課程服務(wù)，實(shí)際上一個(gè)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(gè)整體。綜合性課 程設(shè)計(jì)為學(xué)生提供了綜合應(yīng)用知識(shí)的平臺(tái),將有助 于學(xué)生將多門課程所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通、靈活應(yīng)用， 從而提高學(xué)生的綜合能力,對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力起到了積極的推動(dòng) 作用 6 。培訓(xùn)中心開發(fā)的“交流調(diào)速系統(tǒng)”課程設(shè) 計(jì)，包括“刨臺(tái)變頻調(diào)速”和“變頻恒壓給水”兩 個(gè)選題，都是變頻技術(shù)的典型應(yīng)用。該課程設(shè)計(jì)內(nèi) 容豐富，所需運(yùn)用的知識(shí)涵蓋了可編程控制、自動(dòng) 控制理論、電力電子技術(shù)、電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 等多門課程，是一個(gè)綜合性課程設(shè)計(jì)，符合當(dāng)前實(shí) 驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展趨勢(shì)。 4 實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)和研制 目前， 很多國外大公司都開展了大學(xué)合作計(jì)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(xùn)、工程教育和學(xué)科建設(shè)等領(lǐng)域推動(dòng)相關(guān)技術(shù)在 中國高等院校的普及和應(yīng)用。其中向大學(xué)捐贈(zèng)設(shè)備 建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室是一種重要的合作形式。我校的西 門子培訓(xùn)中心就是以此種形式建立起來的。由這些 公司捐贈(zèng)的設(shè)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(shí)驗(yàn)裝置才能夠開設(shè)實(shí)驗(yàn)。 因此在建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的過程中，為公司所捐贈(zèng)的 設(shè)備配套必要的實(shí)驗(yàn)裝置是十分普遍的現(xiàn)象。與捐 贈(zèng)設(shè)備配套的完全合適的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備的好處是，實(shí)驗(yàn)裝置可根據(jù) 各校教學(xué)的具體情況量身定做，所以能夠更好地與 課程相結(jié)合，并體現(xiàn)出不同的培養(yǎng)特色。浙江大學(xué) 城市學(xué)院研制的可編程控制實(shí)驗(yàn)裝置有以下特點(diǎn) 7 : 一是將繼電接觸控制和PLC控制兩種控制系統(tǒng)相 互結(jié)合; 二是從設(shè)計(jì)思想、器件選用到線路連接都 考慮到要符合工業(yè)應(yīng)用, 使實(shí)驗(yàn)裝置盡可能接近工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的情況。 自制實(shí)驗(yàn)裝置使新建PLC實(shí)驗(yàn)室 特色明顯, 而且因其選用的是西門子PLC而顯示出 其先進(jìn)的水平。北京理工大學(xué)自動(dòng)化系研制了一款 可編程序控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái),通過該實(shí)驗(yàn)臺(tái),學(xué)生可 以自由進(jìn)行可編程序控制器的數(shù)字量、模擬量輸入 輸出實(shí)驗(yàn),可以應(yīng)用PLC 控制氣動(dòng)機(jī)械手的順序搬 運(yùn)動(dòng)作 8 。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)典型的機(jī)、電、氣動(dòng)、 計(jì)算機(jī)一體化的實(shí)驗(yàn)裝置,通過它可以熟悉氣動(dòng)系 統(tǒng)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)傳遞和控制功 能。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)在可編程序控制器的課程建設(shè)與教學(xué) 中取得了很好的效果。 我培訓(xùn)中心為滿足課程設(shè)計(jì)的需要，利用培訓(xùn) 中心已有的PLC和變頻器等產(chǎn)品， 開發(fā)和研制了一組 實(shí)驗(yàn)設(shè)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(hào)燈模 型 （圖4） 和為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研制的控制對(duì)象模 擬器。研制過程可分為兩個(gè)階段： 第一階段：利用數(shù)字電路設(shè)計(jì)被控對(duì)象模型。 培訓(xùn)中心早期研制的電梯升降模型和交通信號(hào)燈模 型的特性較為簡(jiǎn)單。我們采用計(jì)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(yùn)動(dòng)，模型 的結(jié)構(gòu)如圖6所示， 實(shí)物見圖3。 而交通信號(hào)燈模型， 則采用數(shù)碼撥輪來設(shè)定變換時(shí)間、采用數(shù)碼管來指 示信號(hào)燈持續(xù)的時(shí)間， 譯碼器作為數(shù)碼管與PLC間的 接口，模型的結(jié)構(gòu)如圖7所示，實(shí)物見圖4。這兩個(gè) 模型制作便利，成本低，工作可靠，可靈活地與不 同型號(hào)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(jié)構(gòu) 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(hào)燈 路由器 S7200 CPU214 編程器 電梯升 降系統(tǒng) 交通信號(hào)燈模型 圖 7 交通信號(hào)燈模型的結(jié)構(gòu) 第二階段： 利用單片機(jī)設(shè)計(jì)被控對(duì)象模型。 “交 流調(diào)速系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)，包括“刨臺(tái)變頻調(diào)速”和 “變頻恒壓給水”兩個(gè)選題，與其配套的實(shí)驗(yàn)裝置 應(yīng)能夠模擬刨臺(tái)運(yùn)動(dòng)和泵站給水的功能，這些功能 較為復(fù)雜，所以我們采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)其功能的 模擬。以刨臺(tái)變頻調(diào)速題目為例，模擬調(diào)試的實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 8 所示，實(shí)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(hào)，判斷出刨 臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向和速度，然后利用模擬器上光柱的運(yùn) 動(dòng)來代表刨臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可給出刨臺(tái)位置的檢 測(cè)信號(hào)，并通過接線盒連接到 PLC 的輸入，作為被 控對(duì)象的反饋信號(hào)。有了模擬器后，控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)就完整了，可以像在實(shí)際系統(tǒng)上一樣進(jìn)行逼真的 調(diào)試，以檢驗(yàn)硬件和軟件設(shè)計(jì)的正確性。模擬器對(duì) 被控對(duì)象的模擬是通過單片機(jī)中的軟件實(shí)現(xiàn)的，因 此， 在同一個(gè)模擬器上即可模擬刨床刨臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 控制對(duì)象模擬器的外觀如圖 8 所示。上面的三 個(gè)接口用于連接 PLC 和變頻器的控制信號(hào)，這些控 制信號(hào)都反映在下面的接線端子上，學(xué)生可根據(jù)自 己的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)連接關(guān)系。接口下方 的一排光柱用來模擬刨臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，其右下方的 數(shù)碼管用于顯示刨臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度。數(shù)碼管下方的指示 燈和電位器、按鈕、開關(guān)燈代表實(shí)際設(shè)備的操作面 板上的發(fā)令和指示元件，這些信號(hào)也連接到接線端 子上。 圖 9 控制對(duì)象模擬器 培訓(xùn)中心研制的控制對(duì)象模擬器采用基于單片 機(jī)的電子模擬方案，性能價(jià)格比高，是一種先進(jìn)的 模擬器設(shè)計(jì)方法。模擬器的核心部分采用新一代的 PIC 單片機(jī) PIC16F986A，價(jià)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(xué) 領(lǐng)域使用。該模擬器，提供標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)接口，可連 接任何廠家的 PLC 和變頻器，通用性強(qiáng)。同時(shí)，該 模擬器既可作為可編程控制器或自控理論實(shí)驗(yàn)的對(duì) 象模擬器，也可作為變頻器實(shí)驗(yàn)的對(duì)象模擬器，適 用的課程較多?？傊?，該模擬器功能豐富、制作方 便、使用靈活，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。 5 結(jié)論 經(jīng)過 12 年的建設(shè)和發(fā)展，西門子（哈爾濱）自 動(dòng)化培訓(xùn)中