关于电气与可编程控制器的综合实训研究

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摘 要： 电气与可编程控制器是一门综合性和实用性非常强的学科。结合大学生实践积极性高，时间充裕，学习资源丰富等优势，为加强学生的学习能力、实践能力和应用能力，作者采取精讲多练，理论学习与实习训练相结合的综合实训教学模式：从项目的设计、器件的选型、采购到安装、调试、实验一体化训练，锻炼了学生独立设计到实现的实践能力，从而实现了学以致用，提高实用性的教学要求。

关键词： 电气与可编程控制器课程 实践积极性 实习训练 应用性

1.引言

服务社会作为世界高等教育的三个职能之一［１］，即是强调教育不仅仅是传授理论知识，更重要的是增强学生对知识的应用能力。大部分大学生毕业后都要走向工作岗位，需要实践环境，进行实际操作和从而获得发现、解决问题的能力，于是在实训中掌握、巩固和加强知识的应用显得非常重要。

为适应以上要求，在电气与可编程控制器课程中，我们尝试进行了以下改革：在暑期，首先选拔出十名具有较强实践动手能力，善于思考的学生组成特训小组，直接由老师指导。在集体学习了控制任务的情况下负责电气与可编程控制器系统的元器件选型，电气接线板、电气接线图、电气原理图、元器件位置图的设计，然后招标购买和定制相应器件，自主完成电气控制柜的安装，接线，并结合回火炉控制系统［2］和C460车床控制系统［3］的控制要求编程、下载、调试，完成电气控制柜的整体设计和实验，反思问题和总结经验，撰写相应报告。学期开始后由这十名特训成员直接带领其他学生小组进行实训，重复以上实训内容，取得了很好的实训结果。

2.当前电气与可编程控制器课程中存在的问题

可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC或PC）是专为适应工业环境的应用而设计的一种数字运算操作电子系统［4］。它采用了可编程存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字量，模拟量的输入输出，控制各种类型的机械工业或生产过程。

经过30多年的发展，PLC自身已十分成熟与完善，尤其在顺序控制、开关量逻辑运算和处理这两方面具有显著优势，而模拟量闭环控制也已成熟，并随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC的结构和速度也得到了飞速发展，所以在工业控制领域中可编程控制器的应用非常广泛，涉及可编程控制器的岗位也是非常丰富的，需要大量能够熟练设计，操作，控制和维护此类工业控制应用设备的人才。对电子类专业而言，电气与可编程控制器是必不可少的课程，然而传统教学存在以下不足：（1）学生实践基础较差，缺乏主动锻炼的乏环境；（2）填鸭式课堂教育对学生吸引力小，常有逃课现象；（3）知识的掌握停留在认识阶段，不能将讲授知识和实际应用客观地联系起来；（4）未能掌握电气常识，导致在传统实验中，停留在“依葫芦画瓢”，老师查线后简单记录数据的被动阶段。这也就削弱了电气与可编程控制器课程的教学效果，不能充分体现其综合性和实用性的教学目的。

3.学生主导、突出工程的一体化实训

这次实训的主体是中山大学南方学院07级电子专业的全体学生，实训的目的是通过以学生为主导，教师为辅的方式，使学生获得从具体控制系统的项目需求分析，设计到电气与可编程控制柜所有元器件的采购、安装、接线，到最后完成控制系统的程序编写、调试和实训报告的全部参与和实践。如图1所示：

3.1控制系统分析

这部分内容的主要目的是让学生了解工业过程中，为适应自动生产、加工而应用广泛的车床、流水线等工艺，并分析它们的控制过程，以掌握其电气原理，完成控制系统的设计。

本次综合实训选择了两个典型控制系统，分别为回火炉控制系统和C460车床控制系统。首先分析了它们的运动结构、电力拖动形式、控制要求、实现原理，不同电机之间的协作关系，然后思考完成相应控制功能需要的数字或模拟输入输出量，对应的驱动形式，以得到所需元器件类型和数量，达到一个定性到定量的分析，最后让学生开始思考其主电路和控制电路原理和组成，所需要的保护、报警、显示等故障保护措施，尝试设计其电气原理图，以达到对系统的全面理解。

3.2电气原理图等的设计

基于对工业控制系统的认识，结合低压电器控制原理和电机控制理论等知识，引导学生进行电气控制系统图的设计。电气控制系统图包括电气原理图、电气元件位置图和电气安装接线图。这也就要求我们首先设计电气原理图，在掌握控制原理的基础上，系统的考虑控制需求、电气安全等从而进行器件选型，然后综合以上知识进行电气接线板的设计，即设计电气元件位置图，并结合所选型号器件的尺寸，获得了电气接线板的制作图纸。步骤如下：

（a）电气原理图的设计：根据控制系统要求，采用标准电气符号和标识，设计符合绘制准则的电气原理图。

（b）器件选型：满足控制系统要求和电气安全的基础上，进行器件选型。首先计算输入输出点数，并考虑适当冗余进行可编程控制器的选型，然后选择交流接触器、电机等器件，并充分考虑功能、尺寸、额定电流、电压等指标。

（c）电气元件位置图和电气接线板的设计：结合电气原理图和所选器件，集中配置电气元件，以求美观，安全和接线方便。

（d）电气安装接线图的设计：针对设计的电气接线板和元件位置图，结合电气原理图，对电源、主电路、控制电路及照明电路等接线进行设计。

（e）电气控制柜的设计：考虑电源的接入、接地等因素，以及移动和学生实验接线的方便等，设计双向可开门，正面为有机玻璃，操作面板直接可视且带滚轮的电气控制柜。

通过以上电气控制系统的设计，学生基本掌握了控制任务和实现方式，对低压电器控制有了很好的了解，同时需要阅读大量可编程控制器的模块资料，以及其他电器的资料，对低压电器目前潮流和实物也有了一定的了解。

3.3器件采购

在选型阶段，我们和学生已经走访了很多次市场，基本了解了低压电器的市场行情，但是为了减少现场采购的压力，我们采用了网上竞标和现场采购两种方式进行，针对像SiemensS7-200PLC这样的标配器件，我们采用了网上竞标方式购买，而螺丝、电线等则采用了现场购买方式，所以这次采购相对比较轻松。

3.4安装和接线

学生以组为单位，每个团队各负责一台电气控制柜的安装和接线。参照电气元件位置图，把大概120台电器或配件安装在电气接线板上，大概是一天时间的工作量。

在进行电气元件接线之前，要求每位同学首先学习电气常识，掌握电气装置的安装注意事项，以及接地与接零的相应知识，然后结合电气元件接线图，进行接线，做到主电路和控制电路尽量避免交叉和平行走线，减少干扰；做好过电压、过电流、漏电保护和接地，等等。

实际动手操作比理论难很多，很多学生都表示，接线是一项非常需要耐心、体力和技巧的劳动，每一个拐角都要折成漂亮的90度角，并且还要掌握每个电器的工作原理和接线方式，以及相互之间的先后顺序和布线技巧。而有些问题一旦没有注意到，很有可能导致短路，轻则烧毁电器，重则危及人身安全，所以需要很强的安全意识。接线的工作量比较大，时间较长，在接线的过程中，同学们可以同时掌握低压电器以及控制工艺。

3.5程序编写与调试

因为实训选用了西门子S7-200CPU和相应模块，所以要求学生利用自己的课余时间进行STEP7编程语法的学习，分别掌握语句表、梯形图和功能块等不同的编程实现方式。考虑到每个小组的具体情况都不尽相同，各有差异，我们首先给学生讲解了四种不同的编程方式：（1）使用起保停电路的编程方式；（2）使用步进梯形指令的编程方式；（3）使用移位寄存器的编程方式；（4）使用置位复位指令的编程方式。然后学生根据自身的知识特点和兴趣爱好，选用不同的编程方式。接着从最简单的一个按钮控制一个灯开始学习编写程序，渐渐地加入自锁、互锁、计时器、计数器、顺序控制等控制功能。当对STEP7编程熟悉之后，开始让学生思考回火炉和C460车床控制系统的地址分配、控制要求及实现逻辑。

由于在校大学生基本不具备继电器控制的设计经验，因此经验设计法不适合，我们提倡学生使用逻辑设计法。而为了增强逻辑性，便于理解和编程实现控制功能，我们引导学生思考如何将一个复杂的控制系统分成几个相对独立的子任务，分别对各子任务进行编程，最后将子任务的程序合理的连接起来，从而能够帮助同学们清晰的认识到各个控制子任务及相互之间的逻辑关系。

同时为了增强安全和可靠性，程序的编写要充分考虑手动和自动方式，遇有紧急故障，可及时手动停止。程序在下载到CPU之前，需要不断的修改和仿真。比如把程序导出后下载到仿真软件S7-200sim2.0中，进行反复仿真和调试，直到不仅能够满足控制要求，而且具备一定的鲁棒性、预防突发故障和紧急停车等性能为止。

3.6联机调试和编写实训总结报告

虽然在仿真软件中已经反复进行过调试，但并不代表程序一定能够满足控制要求，联机调试是必备步骤。在联机调试之前，需要制定周密、详尽的调试计划，充分考虑工业加工环境可能遇到的干扰和突发事件，不能盲目调试而忽略安全隐患。

通过联机调试之后，让程序连续运行一段时间，以确保程序的正常运行。

做到这一步，电气与可编程控制器实训已接近尾声，凝聚了众多的汗水和精力展现给我们的是一整的电气控制柜，内含满足回火炉和C460车床控制系统实现的软硬件。但是为了让学生回顾实训内容、总结实训经验和提升自己的专业知识，要求每个组以实训总结报告的形式编写技术文件，包含实训目的、平台、内容、步骤、结果和心得等六部分。

4.结语

电气与可编程控制器课程的综合性、实用性和应用广泛性，使得它与其他课程不同，仅仅靠理论学习，没有实践锻炼，将使得对知识的掌握缺少直观性、系统性、实践性和综合性。为了系统培养学生对控制系统、低压电器、电气常识、PLC、编程和调试等的认识，开展PLC综合实训课程是十分必要的，同时也能让大学生提前认识到工作所需要的汗水、耐心、责任、创造性思维和团队合作精神，提高综合素质。

参考文献：

［1］傅树京.高等教育学［M］.首都师范大学出版社，2007.

［2］李彪.回火炉燃烧控制系统［J］.自动化与仪器仪表，2009，（5）：113-114.

［3］王兆京.维修电工（高级）［M］.机械工业出版社，2007.

［4］李艳杰.S7-200PLC原理及应用开发指南［M］.机械工业出版社，2009.

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