(论文)可编程控制器课程设计的探索与实践(2013年优秀毕业设计论文)

项目资助：1996 年、2007 年西门子公司自动化教育合作项目 1996 年哈尔滨工业大学“211 工程”教学与公共服务体系建设子项目 作者简介：李久胜（1969） ，男，哈尔滨人，副教授，博士，西门子培训中心客座教师。主要研究方向为自动化技术和交流 变频传动。通信地址：哈尔滨工业大学 354 信箱, 150001 手机Email：cn “可编程控制器”课程设计的探索与实践 李久胜，陈宏钧，杨华 （哈尔滨工业大学 西门子(哈尔滨)自动化培训中心，黑龙江 哈尔滨 150001） 摘 要：在“可编程控制器”课程设计的开发和建设方面，西门子（哈尔滨）自动化培训中心进行了不断 的探索和实践。在过去的 12 年里，培训中心已开发出 6 个课程设计题目，并配套研制了三种实验装置。 本文首先总结了培训中心开发课程设计的主要经验：第一选题是关键，所选设计题目既要贴近实际应用， 又应具备模拟调试的实验条件。第二应注重开发综合性课程设计，通过综合性工程训练提高学生的综合能 力。最后介绍了培训中心在研制实验装置方面值得借鉴的经验。 关键词：可编程控制器；课程设计；实验装置 中图分类号：G642.0 文献标识码：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 “可编程控制器”是电气工程及其自动化专业 的主干专业课程之一, 是一门知识覆盖面广、涉及 内容多、更新发展快、强调理论而又偏重实践应用 的课程, 与生产实际和工程应用结合紧密且应用广 泛 1 。 许多院校在如何充分调动学生的积极性, 利用 各种教学方法和手段, 全面提高课程的教学质量和 效果方面开展了很有成效的改革与实践。 哈尔滨工业大学 （以后简称我校） 于 1996 年与 西门子公司合作建立了“西门子（哈尔滨）自动化 培训中心” 。12 年来该中心与学校的教学工作紧密 结合， 不断研制新的实验装置、 开发新的实验内容， 为我校“逻辑与可编程控制器”课程提供了优良的 实验基地，对课程的建设和发展起到了极大的推动 作用，该课程已于 2006 年被评为校优秀课程。 本文将介绍哈尔滨工业大学“西门子自动化培 训中心” （以后简称培训中心） ，在“可编程控制器” 课程建设方面所做的工作，重点总结培训中心在课 程设计的开发和建设方面所取得的经验。第 2 部分 将介绍培训中心的发展历程和在课程建设方面所做 的工作。第 3 部分将介绍培训中心开发课程设计的 经验。第 4 部分将介绍培训中心研制实验装置的经 验。第 5 部分为结论。 2 培训中心的发展历程 西门子（哈尔滨）自动化培训中心是根据 1996 年 6 月德国西门子公司与我校签署的有关协议而共 同建设的，同时被列入我校“211 工程”教学与公 共服务体系的建设子项目。项目的建设内容与总体 目标是： 1） 为西门子公司的客户进行技术培训， 使其成 为西门子公司在中国东北地区的技术服务窗口与重 要的“产学研”合作基地； 2） 为我校电气工程与自动化专业的教学与科研 工作提供服务，使其成为具有国内一流先进水平的 实验教学与科研基地； 3） 加速推进电气工程与自动化专业教学基础设 施与国际的接轨， 使之在短期内达到国际先进水平。 根据我校与德国西门子公司的合作协议，西门 子公司及其合作伙伴德国 Festo 公司陆续向我校捐 赠了几批培训设备和产品，为我校相关专业学生提 供了学习、掌握西门子公司最新的自动化和驱动技 术的良好的实验条件。其中主要设备包含：西门子 公司捐赠的 SIMATIC S7-300 可编程控制器培训装 置、SIMATIC S7-200 可编程控制器、MicroMaster 变频器和德国 Festo 捐赠的气动生产系统培训装 置。 十二年来，为了配合本科教学改革，进一步加 强实践性教学环节，培训中心一直在积极探索实践 性教学改革的有效途径，努力增强对学生实践能力 和创新能力的培养。在充分利用培训中心的已有资 源的基础上，结合所服务的相关课程，开设了一系 列的实验和课程设计，并开发和研制了配套的实验 装置。目前，本中心承担了我校电气工程系“逻辑 与可编程控制器” 、 “电气传动自动控制系统”两门 课程的实验和课程设计教学任务。 在服务于学校课程的同时，十多年来培训中心 还举办了数十次面向企业的自动化和驱动技术的培 训班，累计为西门子培训客户 600 余人次。通过这 些培训，不仅帮助企业培训了大量高水平的技术骨 干，也增进了我校与企业之间的联系，拓展了我校 与这些企业的合作空间。 近年来，在学校的支持下，我中心积极参与西 门子公司的自动化教育合作项目，对中心原有的可 编程控制器等设备进行了升级，并结合当前自动化 技术的新发展，增添了最新的控制网络类产品。此 外，通过与西门子标准驱动部的合作，对原有的变 频器和机组也进行了升级换代。目前，培训中心设 备的先进性、产品种类的多样性、自动化系统的完 整性，均已达到了很高的水准。经过十年的建设， 现在培训中心已基本形成了一个具备学生教学、技 术培训及科研开发等功能的一流自动化技术中心。 3 课程设计的探索与实践 目前“实践才是工科专业的根本”已成为国际 高等工程教育界的共识 2 。美、日等国工科专业的 实践教学时数已占总学时的 3540。我国的工科 教育也越来越重视实践教学，近年来随着新的教学 计划的修订,实验、 课程设计等实践环节在整个教学 计划中的比重明显增大 3 。 “可编程控制器”课程是一门实践性很强的课 程，实验和课程设计等实践环节在教学中占据十分 重要的地位。 与验证性实验相比较， 设计性实验 （即 课程设计）在培养学生动手能力方面的作用更大。 为了加强“可编程控制器”课程的实践性教学 环节， 培训中心从 1998 年起开设了 “可编程控制器” 课程设计。该课程设计要求学生针对具体的控制对 象，根据设计任务书的要求，独立完成控制流程的 设计并编写调试复杂的控制程序。课程设计的目的 是培养学生综合运用理论知识分析和解决实际问题 的方法和能力，实现由知识向技能的初步转化。通 过课程设计既可提高学生的动手能力,又有利于学 生创新能力的培养。学生圆满地完成课程设计后， 就基本上具备了完成类似的实际工程设计任务的能 力。课程设计的开发和实施可分为三个阶段： 阶段一：直接利用培训中心现有设备开发课程 设计题目。 1998 年， 利用西门子公司提供的 S7-300 PLC 和生产线传动带模型（如图 1 所示）开发了的 第 1 个课程设计题目： 生产线传送带控制程序设计。 1999 年又利用 FESTO 公司提供的气动生产系统（如 图 2 所示） ， 开发了第 2 个课程设计的题目： 气动生 产系统控制程序设计。 图 1 生产线传送带模型 图 2 气动生产系统 阶段二：自主研制新的实验设备，丰富课程设 计内容。2000 年，培训中心利用 S7-200 PLC，研制 了电梯模型（如图 3 所示）和交通信号灯模型（如 图 4 所示）两种新的实验设备，在此基础上增设了 2 个课程设计题目：电梯升降系统控制程序设计和 交通信号灯控制程序设计。经过上述两个阶段的建 设， “可编程控制器” 课程设计的建设工作基本完成， 形成了有4 个设计题目， 22 台实验设备的实验规模。 图 3 电梯模型 图 4 交通信号灯模型 阶段三： 将可编程控制器与其它课程结合， 开设 综合性课程设计。为了培养学生综合运用多门课程 所学知识，解决实际工程问题的能力，2002 年培训 中心将 PLC 技术与“电力传动自动控制系统”课程 相结合，开设了以交流调速系统为核心的综合性课 程设计，并研制了由 S7 200 PLC、西门子 G120 变 频器和控制对象模拟器组成的实验平台（如图 5 所 示） 。 该课程设计有两个设计题目： 龙门刨床刨台变 频调速系统设计和变频恒压给水控制系统设计。 过去 12 年里， 培训中心不断研究课程设计的教 学规律，不断开发新的设计内容和实验装置，在探 索和实践过程中，对于课程设计教学环节的建设， 逐渐总结出以下几点体会和认识： 图 5 交流调速实验平台 1 选择合适的设计题目是搞好 “可编程序控制 器”课程设计的关键。我们在选题时主要考虑了以 下几个因素： 1） 选题应广泛且贴近工业应用或日常生活， 有 利于开阔同学们的眼界，同时有利于同学们对设计 任务的理解和掌握。 2） 选题应具有典型意义， 使得该设计中用到的 方法还可用来解决很多类似的问题，保证设计的实 用价值。 3） 设计内容应具有一定的复杂性， 使学生在编 程中能用到多种指令， 并培养完成复杂任务的能力。 我们为“可编程序控制器”课程设计选择的四 个题目不仅符合上述要求，而且具有以下特色： 1） 题材广泛。 其中生产线传送带和气动生产系 统两题属于 PLC 的典型工业应用，电梯和交通灯两 题是 PLC 在日常生活中的应用。 2） 实用价值高。 完成生产线传送带和电梯控制 两题主要应用“逻辑控制”方法，而气动生产系统 和交通灯控制两题目中主要应用“顺序控制”方 法， 它们代表了可编程序控制的两种主要设计方法。 3） PLC 品种齐全。 生产线传送带的控制器采用 S7 300 系列 PLC， 气动生产系统采用 S5 100U 系列 的 PLC 作为控制器，这些控制器属于中高性能的 PLC，可采用先进的结构化编程方法；电梯和交通 灯两题目中采用 S7 200 系列 PLC,可实现网络通讯 的功能。在课程设计中，学生几乎可接触到西门子 所有系列的 PLC 产品，极大地扩展了学生的视野。 2 课程设计应具备基本的实验条件, 可以模拟 调试, 操作性强 4 。模拟调试可直观地检验设计的 正确性，及时地发现存在的问题, 然后通过学生自 己查找和教师指导予以解决。通过模拟调试，可以 发现问题、思考问题和解决问题，更好地达到理论 联系实际的目的。 模拟调试的另一个好处是,调试的 成功会给学生带来很大的鼓舞和成就感，能够激发 学习兴趣， 提高学生对课程设计的参与性和积极性。 “可编程序控制器”课程设计的四个题目，都 具备良好实验条件，可以进行逼真的模拟调试。其 中，生产线传送带和气动生产系统是培训中心原有 的实验设备，电梯和交通灯模型是我们为了配合课 程设计研制的新装置。 3 应提供足够数量的设计题目和实验设备, 以 减少同组学生人数,提高设计质量。 提供较多的设计 题目，既可使同学们依据个人兴趣选择题目，从而 提高学习兴趣， 又可有效地减少设计中的抄袭现象。 具有足够的实验设备，可以减少每个设计小组的人 数，增加人均参与的机会，避免部分学生的依赖思 想。 4 课题的总体难度应适中， 符合大部分学生的 一般水平；又应包含不同的层次，以满足不同层次 学生的需求 5 。每个课题可细分为基本要求和较高 要求两个层次，依次增加控制要求。以电梯和交通 等为例，电梯升降控制和交通灯定时变换功能作为 设计的基本要求，而多个装置间的通信功能和协调 控制作为扩展功能，能力较强的同学在完成基本功 能后可继续实现扩展功能，接受更高层次的工程训 练。 5积极开发为多门课程服务的综合性课程设 计，提高学生的综合素质。一般的课程设计只是为 某一门课程服务，实际上一个专业方向的各门课程 之间是紧密联系、不可分割的一个整体。综合性课 程设计为学生提供了综合应用知识的平台,将有助 于学生将多门课程所学知识融会贯通、灵活应用， 从而提高学生的综合能力,对提高学生的学习兴趣、 培养学生的创新意识和实践能力起到了积极的推动 作用 6 。培训中心开发的“交流调速系统”课程设 计，包括“刨台变频调速”和“变频恒压给水”两 个选题，都是变频技术的典型应用。该课程设计内 容丰富，所需运用的知识涵盖了可编程控制、自动 控制理论、电力电子技术、电力传动自动控制系统 等多门课程，是一个综合性课程设计，符合当前实 验教学改革的发展趋势。 4 实验装置的开发和研制 目前， 很多国外大公司都开展了大学合作计划， 旨在通过与国内知名的工科院校展开合作，在师资 培训、工程教育和学科建设等领域推动相关技术在 中国高等院校的普及和应用。其中向大学捐赠设备 建立联合实验室是一种重要的合作形式。我校的西 门子培训中心就是以此种形式建立起来的。由这些 公司捐赠的设备，一般为该公司的知名产品，该产 品一般需要配套一定的实验装置才能够开设实验。 因此在建立联合实验室的过程中，为公司所捐赠的 设备配套必要的实验装置是十分普遍的现象。与捐 赠设备配套的完全合适的实验装置一般不容易买 到，所以往往需要使用方自行研制。 自行研制实验设备的好处是，实验装置可根据 各校教学的具体情况量身定做，所以能够更好地与 课程相结合，并体现出不同的培养特色。浙江大学 城市学院研制的可编程控制实验装置有以下特点 7 : 一是将继电接触控制和PLC控制两种控制系统相 互结合; 二是从设计思想、器件选用到线路连接都 考虑到要符合工业应用, 使实验装置尽可能接近工 业现场使用的情况。 自制实验装置使新建PLC实验室 特色明显, 而且因其选用的是西门子PLC而显示出 其先进的水平。北京理工大学自动化系研制了一款 可编程序控制器教学实验台,通过该实验台,学生可 以自由进行可编程序控制器的数字量、模拟量输入 输出实验,可以应用PLC 控制气动机械手的顺序搬 运动作 8 。该实验台是一个典型的机、电、气动、 计算机一体化的实验装置,通过它可以熟悉气动系 统、电子技术以及计算机系统的信号传递和控制功 能。该实验台在可编程序控制器的课程建设与教学 中取得了很好的效果。 我培训中心为满足课程设计的需要，利用培训 中心已有的PLC和变频器等产品， 开发和研制了一组 实验设备：包括为电梯控制题目研制的电梯升降模 型（图3）、为交通灯控制题目研制的交通信号灯模 型 （图4） 和为变频调速控制系统研制的控制对象模 拟器。研制过程可分为两个阶段： 第一阶段：利用数字电路设计被控对象模型。 培训中心早期研制的电梯升降模型和交通信号灯模 型的特性较为简单。我们采用计数器、译码器等集 成电路，配合指示灯来模拟电梯的升降运动，模型 的结构如图6所示， 实物见图3。 而交通信号灯模型， 则采用数码拨轮来设定变换时间、采用数码管来指 示信号灯持续的时间， 译码器作为数码管与PLC间的 接口，模型的结构如图7所示，实物见图4。这两个 模型制作便利，成本低，工作可靠，可灵活地与不 同型号的PLC配合使用，很适合推广使用。 操作面板 O I 升降 模拟器 呼叫按钮 及指示灯 轿箱位置 指示灯 路由器 S7200 CPU214 编程器 楼宇控 制中心 电梯升降模型 图 6 电梯升降模型的结构 操作面板 O I 数码显示 译码器 数码拨轮 及按钮 数码管 及信号灯 路由器 S7200 CPU214 编程器 电梯升 降系统 交通信号灯模型 图 7 交通信号灯模型的结构 第二阶段： 利用单片机设计被控对象模型。 “交 流调速系统”课程设计，包括“刨台变频调速”和 “变频恒压给水”两个选题，与其配套的实验装置 应能够模拟刨台运动和泵站给水的功能，这些功能 较为复杂，所以我们采用单片机来实现对其功能的 模拟。以刨台变频调速题目为例，模拟调试的实验 系统的总体结构如图 8 所示，实物图如图 5 所示。 模拟器接受变频器发出的输出频率信号，判断出刨 台运动的方向和速度，然后利用模拟器上光柱的运 动来代表刨台的运动，同时还可给出刨台位置的检 测信号，并通过接线盒连接到 PLC 的输入，作为被 控对象的反馈信号。有了模拟器后，控制系统的结 构就完整了，可以像在实际系统上一样进行逼真的 调试，以检验硬件和软件设计的正确性。模拟器对 被控对象的模拟是通过单片机中的软件实现的，因 此， 在同一个模拟器上即可模拟刨床刨台运动轨迹， 也可模拟恒压给水管路的压力变化。 图 8 龙门刨床刨台运动控制系统的结构 控制对象模拟器的外观如图 8 所示。上面的三 个接口用于连接 PLC 和变频器的控制信号，这些控 制信号都反映在下面的接线端子上，学生可根据自 己的设计方案实现不同的信号连接关系。接口下方 的一排光柱用来模拟刨台的运动轨迹，其右下方的 数码管用于显示刨台运动速度。数码管下方的指示 灯和电位器、按钮、开关灯代表实际设备的操作面 板上的发令和指示元件，这些信号也连接到接线端 子上。 图 9 控制对象模拟器 培训中心研制的控制对象模拟器采用基于单片 机的电子模拟方案，性能价格比高，是一种先进的 模拟器设计方法。模拟器的核心部分采用新一代的 PIC 单片机 PIC16F986A，价格低廉、可靠性高；支 持路内调试功能，开发成本低，非常适合于在教学 领域使用。该模拟器，提供标准的信号接口，可连 接任何厂家的 PLC 和变频器，通用性强。同时，该 模拟器既可作为可编程控制器或自控理论实验的对 象模拟器，也可作为变频器实验的对象模拟器，适 用的课程较多。总之，该模拟器功能丰富、制作方 便、使用灵活，具有很高的推广应用价值。 5 结论 经过 12 年的建设和发展，西门子（哈尔滨）自 动化培训中