新工科背景下獨立學院PLC實驗教學典型案例研究

田輝輝，張興達，劉倩，朱紹偉

（濟南大學泉城學院，山東煙臺，265600）

0 引言

隨著國家《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》文件的形成，新工科教育提出戰略性的要求發展培養“五個新”人才，結合獨立學院的特點，旨在服務社會，培養應用型工程人才，我校機械和電氣專業緊隨國家發展，調整專業培養方案，許多課程進行了調整設計，其中《電氣與PLC控制技術》、《電氣控制技術》、《可編程控制器》課程在理論授課和實驗教學中都進行了相應調整，由于目前工程實際中的工業自動化現場，不再只是簡單地人工操作，而是控制機構與工業計算機共同構成監控系統交互來完成整體生產任務，因此我們在實驗環節摒棄單純使用PLC而是設計出一套基于PLC與組態的實驗教學系統，讓學生們能夠更加直觀地學習和感受工業自動化的現場情況。為學生們能夠更近距離的接觸生產實際要求提供條件。教學實驗系統分為多個模塊項目由簡單到復雜，使學生們能夠逐步掌握并進階高難度學習。下面將以典型案例項目—基于PLC與組態的十字路口交通燈為例進行簡單的介紹。

1 十字路口交通燈系統介紹

該系統主要包括上位機組態屏監控端、PLC模塊、手動控制模塊和十字路口交通燈實際現場端，其結構簡圖如圖1所示。組態觸摸屏端完成遠端十字路口交通燈的實際情況實時監視和控制功能，使工作人員不在現場也能看到實況，并且能夠進行相應的控制操作，及時解決現場問題；PLC端根據程序完成交通燈系統的整體運行，并可通過手動控制端對現場交通燈運行情況進行控制。

圖1 基于PLC與觸摸屏的十字路口交通燈監控系統結構圖

2 PLC端控制系統的設計

PLC端采用西門子S7-200 CPU224進行設計，包括硬件電路和軟件功能編程兩個方面。下面給出了基于PLC與觸摸屏的十字路口交通燈監控系統的控制要求。

首先，該系統要求應該具有控制交通燈啟動和停止的按鈕；然后，白天模式，模擬正常某十字路口交通燈的循環模式，當按下啟動控制按鈕后，交通信號燈的工作狀態轉換按照以下所示進行（其中R代表紅燈，G代表綠燈，Y代表黃燈）：整個過程模擬時間為60秒的循環運行，前30秒內，東西方向上的R點亮30秒，在R點亮的30秒內，南北方向上的G先是亮燈25秒，然后再按秒進行閃爍3次共計3秒后熄滅，然后南北方向上的Y點亮2秒后熄滅，到達30秒后的東西方向R熄滅，緊接著的后30秒，東西方向上的G先是亮燈25秒再按秒進行閃爍3次共計3秒后熄滅，然后東西方向上的Y亮2秒后熄滅，與此同時的這30秒內南北方向的R一直處于點亮狀態，這便是一個周期。完成一個周期后，交通信號燈監控系統便依次循環上述過程。當按下停止控制按鈕后，所有亮著的燈同時熄滅。夜間模式：基于生活中常見夜間模式為前提，將該模式設置為—黃燈按秒進行閃爍點亮顯示。

根據控制要求，確定PLC端控制接線情況，其硬件控制接線圖如圖2所示，該部分完成交通燈與PLC的系統搭建，形成下位機控制執行機構，為交通燈運行構建平臺。交通燈系統的I/O分配情況為，PLC輸入端：I0.0啟動控制端，I0.1停止控制端；PLC輸出端：Q0.0指示南北方向綠燈，Q0.1指示南北方向黃燈，Q0.2指示南北方向紅燈，Q0.3指示東西方向綠燈，Q0.4指示東西方向黃燈，Q0.5指示東西方向紅燈。

系統控制要求、I/O分配及硬件接線確定之后，就開始著手軟件設計。軟件部分，PLC端程序通過STEP7-Micro/WIN軟件結合控制要求和I/O分配進行設計，并加入M區的使用為使用組態屏做好準備。學生在實驗室根據老師的指導能夠自主進行程序的編寫設計并進行硬件的連接搭建，并鼓勵學生們在此基礎上進行控制系統的自我開發優化等操作，以此培養自主設計能力。

圖2 十字路口交通燈PLC端控制接線圖

3 組態觸摸屏端設計

組態（Configuration），是用軟件中提供的工具、方法，搭建構造完成工程中某一具體任務的過程。與硬件生產相比，組態有更大的自由靈活度。通過搭建設置組態相關原件模塊可以完成虛擬實物情景，通過與PLC等設備相結合，設置數據通道，對M區進行設置，當然前提是在PLC端程序也要進行組態區設置連接，才能實現觸摸屏端運用組態實時采集顯示現場情況，并完成對實際遠端現場的操控。

交通燈系統組態設計包括界面的構建，元部件按鈕屬性等的設置，數據通道的連接，相應動畫的編輯等。通過組態觸摸屏能夠實時監視查看十字路口交通燈的情況，并可以進行控制。圖3給出了一個簡單監控界面。圖4給出了部分動畫設置程序截圖，在實驗時學生們不僅能夠在PLC端看到和控制交通燈，更能夠通過設置組態來模擬遠端進行監控，類似于工廠自動化操作觸控一體化監控情境，這樣能夠更好地讓學生感受工業現實，提高他們的工程意識，讓他們領悟到學習PLC不僅僅要對PLC的軟硬件環境進行掌握研究，同樣更要貼近工業現實，結合組態觸摸屏一起學習，以期達到綜合素質的提升。

圖3 十字路口交通燈簡單組態監控界面

圖4 十字路口交通燈監控運行模擬動畫部分編程界面

4 系統綜合通信測試

通過PC/PPI電纜線將在計算機STEP7-Micro/WIN軟件中編輯的程序下載到PLC，通過USB線將計算機的組態軟件中編輯的組態監控界面下載觸摸屏，將PLC與屏相連，連接好交通燈外部硬件接線，開啟監控，分別在屏端和通過現場按鈕啟動交通燈系統，觀察系統運行情況，然后經過一段時間，分別在屏端和通過現場測試停止按鈕。經過測試系統運行良好。

運用該系統進行教學，大多數學生能夠獲得很好的學習效果，在最終的考核中學生動手能力和對基礎編程有了更加直觀認識和體會，因此教學取得良好效果。

5 總結

本文通過十字路口交通燈實例講解，體現出在教學中通過開發的教學系統將觸控一體化的思想融入到教學實驗中去。運用PLC與組態一體化監控系統進行教學研究，讓學生們在校期間能夠接觸到現實工程控制中的設計思想，逐漸培養學生的工程意識，使他們能夠接觸目前實際自動化生產的“模型”，為更好地培育新工科人才，結合智能化工程新型人才培養要求提供了很好的方式方法示范，也為培養獨立學院學生應用型人才要求給出了簡單案例示教，使學生們將能夠更加順利的與社會接軌，完成身份的轉變，更好的服務社會，承擔起創建新型社會的責任。

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究.2017,(2)：1-6.

[2]尹晶,張晶,喬良等.獨立學院創新能力培養探究[J].實驗室研究與探索，2016，35(7)：190-193.

[3]田輝輝,王熙,林二東.CAN總線在大豆精播機播種監測系統中的應用[J].農機化研究. 2015,52(1)：223-227.

[4]胡金山,王熙.基于PLC、MCGS組態技術的北方寒地溫室環境監控系統設計[J].安徽農業科學,2015,43(10)： 510-512.