时慧喆

（山东科技大学工程实训中心，山东 青岛 266590）

1 工程实训教学中的电气控制实训

在工程实训教学中，电气控制技能实训是一个重要的实训项目，在以应用型工科专业为主的综合性大学中，工科类学生掌握相关电气控制类的技能不仅有利于培养其动手实践能力，也更加符合社会和企业对复合型人才的要求[1]。传统的电气实训项目主要依托学生在相关工作台上根据给定线路连接出相应的控制线路，这样的实训项目有利于学生了解经典控制线路中各元器件的工作原理，理解电气控制线路的整体动作过程，但是随着技术的发展，以PLC为代表的先进控制技术给传统的电气控制线路带来了新的进步[2-4]。

2 PLC技术在电气控制中的应用

在PLC控制技术的帮助下，笔者完成了相关电气控制的硬件接线及程序编写，并通过运行编写的程序达到对控制线路中各元器件动作、状态的控制，实现传统控制线路无法实现的定时、定量、检测、反馈等功能。在数字控制PLC技术的加持下，自动化电气设备按照设置好的程序运行，提升了电气设备及其所组成的电气系统的自动化程度[5]。

因为PLC在不同的电气设备中所执行的功能复杂程度也有所不同，技术人员对PLC相关技能的掌握程度将直接影响电气设备乃至系统的正常运行。PLC中的软件编程面对不同技术人员提供了不同的方式，既有逻辑清晰的梯形图，也有专业复杂的SCL语言。从性价比方面来看，应用PLC技术的电气设备制造投入较低，可随时根据电气设备使用需求的变化来调整PLC中的程序，经过对PLC梯形图的绘制、修改，能够根据电气设备运行情况，有效控制继电器，确保电气系统正常运行，十分方便、灵活，减少了设备的拆装次数，降低了电气设备使用过程中的成本。在网络化程度日益提升的当下，PLC的功能也在不断升级，通过PLC中的网络功能可以实现整个电气系统中多个电气设备的统一控制与管理，保障系统中电气设备的精准控制，有效避免系统运行中出现的问题，减少人为误差，提高系统运行效率[6-7]。

3 PLC实训面板的设计与组装

此PLC实训面板的设计目的是让学生在实训完经典的电气控制线路后，在这些经典的电气控制线路中加入PLC控制技术，学生可对PLC的外部硬件连接线、内部编程进行具体的实训。此实训面板的设计组装需要如下元器件：（1）网孔板（70 cm×70 cm）；（2）断路器导轨；（3）线槽；（4）漏电保护装置（4P）、漏电保护装置（2P）；（5）S7-200smart PLC（ST30DC/DC/DC）；（6）开关电源（AC220 V-DC24 V）；（7）6孔按钮盒；（8）中间继电器、交流接触器等继电器；（9）1.5 mm2软铜线等规格不同的导线。所需要的工具有十字螺丝刀、一字螺丝刀、斜口钳、剥线钳、尖嘴钳等。

将这些元器件按照一定的规划布置并用导线连接起来，效果如图1所示。

图1 电气控制PLC面板

使用自行设计组装的PLC实训控制面板可以根据不同专业本科生所学内容的不同，通过增减元器件调整实训操作内容，灵活方便；且相比于直接购买综合性、专业性强的教学设备，自行设计组装的PLC实训教学面板可以节约一些经费，适用于一些经费不充足的单位。

4 PLC实训中项目设置

4.1 PLC外部硬件实训

由于使用的是自行组装的PLC控制面板，其灵活的特性可让学生进行PLC外部连接线的学习。学生自己动手连接PLC的外部接线，PLC的外部分为输入点与输出点，不同型号的PLC所具有的接线端数量不同，但是输入、输出点会符合3:2的比例，如型号为ST30DC/DC/DC的PLC就有18个输入点、12个输出点。正确地将外部输入信号元件安装在输入端，执行元器件安装在输出端，是顺利进行PLC实训必要的硬件条件。

现在简单介绍一下图1所示的输入端信号元件（按钮）与输出端执行元件（中间继电器DC24 V）的安装方法。按钮是一种无源元件，如果PLC的输入公共端接DC24 V+，那么按钮的一端就接DC24 V-（图2），另一端接PLC的输入端；另一种安装方式可将PLC的输入公共端（M）接DC24 V-，按钮上的其中一端接DC24 V+，另一端接PLC的输入端（根据需要接I0.1、I0.2等端口）。

图2 按钮连接PLC输入端

输出端安装的中间继电器，将DC24 V电源正极接到L+端，将电源负极接到M端，再将继电器线圈中标号为14的端子直接连接到PLC输出端的Q点（如Q0.0、Q0.1等），标号为13的端子连接到M端（0 V），如图3所示。

图3 中间继电器的连接方式

4.2 PLC内部编程实训

经典的电气控制线路是由按钮、交流接触器、时间继电器等元器件通过导线连接起来形成相应的逻辑，从而实现相应的元器件控制功能。PLC控制功能的实现依靠的就是将传统线路中所包含的逻辑转化成相应的程序，其中最简单易懂的编程为梯形图，如果将电气控制线路中的逻辑结构如触点、线圈等与PLC编程中的相关指令逐一对照，即可简单地将一个电气控制线路转换成梯形图。

西门子S7-200smart通常使用的是STEP 7-Micro/WIN SMART软件，软件直接在官方网站免费下载安装即可，完成后的主界面如图4所示。菜单栏：软件的各个功能，包括向导组态；项目树：通信、硬件组态、符号表、状态图表、基本指令等；编程区域：在此区域进行梯形图编程；参考信息：编译信息、地址分配、状态显示等。

图4 STEP 7-Micro/WIN SMART主界面

4.2.1 编程原则

在STEP 7-Micro/WIN SMART软件中使用的是梯形图编程，作为PLC的首要编程语言，其延续了经典控制线路图形象、直观、实用的特点，被很多电气操作人员所喜爱。梯形图中所涉及的各种电气元件并不是真实存在的物理电器，而是属于“软元件（存储单元）”，每个“软元件”与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。如果存储单元的状态为“1”，表示其对应梯形图中的软元件“通电”；如果存储单元状态为“0”，梯形图中的软元件“断电”。在梯形图编程时，将这些“软元件”按照电气控制线路中元器件的逻辑顺序进行编程，编程所遵循的原则如下：

（1）同一个编号的“软元件”输出线圈（如Q0.0、Q0.1等）、时间继电器（T37、T38等）、计数器（C37、C38等）在同一个梯形图程序中只能使用一次，但接点可无限次使用。

（2）梯形图程序的运行都是从左边母线开始，由上到下，每行中从左到右执行，“软元件”输出线圈在最右边，各种按钮、触点必须放在输出线圈的左边。

（3）“软元件”的线圈不能和梯形图的母线连接。如果确实有需要，可通过一个未使用继电器上的动断触点或者特殊继电器（常ON）来连接。

（4）输出线圈可以并联，但不能串联。

（5）“软元件”在没有定义之前不能编入梯形图。

（6）在梯形图的母线上不能编组任何“软元件”。

4.2.2 常用基本逻辑指令及其应用

现在通过一个简单的梯形图（图5）介绍常用的指令及其图形符号。

图5 梯形图

（1）LD（load）表示常开触点连接到母线上，其装载位置在梯形图母线或线路分支点处；与此类似的还有LDN（load not），表示常闭触点，其装载位置与LD指令相似。

（2）=（OUT）表示输出线圈指令，对同一个元件只能使用一次。

（3）A（And）表示“与”指令，在梯形图编程中的含义为串联一个常开触点。

（4）AN（And not）表示“与非”指令，在梯形图编程中的含义为串联一个常闭触点。

（5）O表示“或”指令操作，在梯形图编程中的含义为并联一个常开触点。

（6）ON表示“或非”指令，在梯形图编程中的含义为并联一个常闭触点。

5 PLC实训应用实例——三相异步电机的正反转控制

将三相异步电机的正反转控制的主电路和控制电路“翻译”成PLC梯形图的具体步骤如下：

（1）正确理解三相异步电机的正反转控制电路（图6），理解其线路通电后的动作过程：

图6 三相异步电机正反转控制线路

1）先闭合断路器QS接入380 V的三相交流电。

2）三相异步电机正转控制：按下正转按钮SB1时，交流接触器KM1线圈得电，交流接触器KM1主触点和自锁触点闭合（交流接触器KM1常闭互锁触点断开），三相异步电机M启动连续正转。

3）三相异步电机反转控制：反转时必须先按下停止按钮SB3，交流接触器KM1线圈失电，交流接触器KM1主触点分断，三相异步电机M失电停转。等到三相异步电机主轴彻底停转后，按下反转启动按钮SB2，交流接触器KM2线圈得电，交流接触器KM2主触点和自锁触点闭合（交流接触器KM2常闭互锁触点断开），三相异步电机M启动连续反转。

（2）分析线路。从控制线路来看，它具有正转、反转、停止、自锁、互锁控制功能，此外还具有过载保护功能，因此在变成PLC梯形图之前首先要做到以下几点：

1）确定输入/输出点。根据控制要求，其I/O分配如表1所示。

表1 I/O分配表

2）将电气控制线路中的逻辑顺序转换成梯形图。从左到右、从上到下读懂该控制线路，并按从上到下、从左到右的顺序对应画出梯形图的第一、第二网络，如图7所示。

图7 按照控制线路初步画出梯形图

然后根据梯形图的一般画法规则，在同一网络中，梯形图并联支路尽可能靠左，连接在母线上，串联多的支路尽量靠在上面，同时，相同网络中并联出的分支不要太多，整理得到图8所示正反转控制梯形图。

图8 整理后的三相异步电机梯形图

6 结语

使用自行设计组装的电气控制PLC面板有利于根据专业需要自行调整设计，方便根据电气自动化领域的进步来进行更新迭代。使用设备进行实训的过程中，从外部接线到内部编程，学生都可以自己动手进行实践，提升了PLC实训的趣味性，调动了学生的积极性，开拓了学生的知识面，提高了学生的技能水平，有利于为社会的发展培养出更多的复合工程应用型人才。