機械類專業電氣控制技術實驗課的探討與實踐

[摘要]針對壓力加工專業學生新開設電氣控制技術課程，提出實驗課設計思路與實踐體會。課程設置中，力求緊密結合專業相關知識，發揮專業特點，因地制宜，循次漸進，以點及面，形成適合本專業特點的系統實驗。

[關鍵詞]電氣控制技術，專業特點，綜合實驗。

[中圖分類號]G642.423[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2007)06-0515-03

0引言

在現代化生產過程中，許多自動控制設備、自動化生產線，均需要配備電氣控制裝置。以往的電氣控制裝置主要采用繼電器來實現，由連接導線將這些器件按照一定的工作程序組合在一起，以完成一定的控制功能，這種電氣裝置體積大，生產周期長，接線復雜，故障率高，可靠性差，控制功能略加變動，就需改變接線、重新組合。

隨著現代科學技術的飛速發展和綜合技術的廣泛應用，工業電氣控制技術也發生了根本的變化。從傳統的繼電器控制技術逐步過渡到現在的可編程控制技術。可編程控制器是以軟件實現各種控制功能，以微處理器（Microprocessor）為核心，綜合了計算機技術、自動化控制技術和通信技術發展起來的一種通用型的工業控制裝置。可編程序控制器廣泛地應用于工業控制，它通過用戶存儲的應用程序來控制生產過程，具有可靠性高、穩定性和實時處理能力強的優點。可編程序控制器是把計算機技術與繼電器控制技術有機結合起來，為工業自動化提供的幾乎完美的現代化自動控制裝置。

為了適應當前社會對高素質大學生的需要，使其盡快融入生產實踐中，燕山大學壓力加工專業本科生新開設了電氣控制及PLC課程。課程目標是培養學生對電氣控制系統的分析和設計基本能力，掌握現代工業的先進控制技術。該課程涉及的知識面較寬，與生產實際結合緊密，除了講授理論知識外，實驗課學時占了較大的比例，是一門實踐性較強的專業課。因此，該課程的實踐環節至關重要。

電氣控制技術課程在理論知識方面學習了電氣控制原理、PLC的基本工作原理、PLC的硬件結構、常用編程指令以及梯形圖編程等。但由于機械類學生在電氣控制方面的基礎知識與電類專業的學生不同，因此在實驗課設置上應與電類專業的學生有所區別，實驗設置要具有針對性，對于他們更應該在實驗環節上與專業知識結合，開設具有專業特點的綜合性實驗。

1實驗課設計思路

1）從專業實際出發。結合專業其它課程內容，盡量以較少的實驗學時包含較多的知識信息量。實驗課概括的知識點為：壓力加工設備的機械結構、液壓傳動系統、電氣控制系統、可編程控制器的編程與應用。這幾項基本包括了壓力加工設備的全部內容；

2）因地制宜。在招生量擴大，硬件資金緊張的情況下，要充分利用實驗室現有設備，節省投資。實驗室現有兩臺315噸液壓機，在此基礎上對設備電氣控制部分進行了PLC改造，同時將原有的繼電器控制系統保留，通過切換開關可將傳統繼電器控制系統與PLC控制系統進行切換。教學內容以傳統的繼電器控制為基礎，以典型的液壓機繼電器控制為出發點，結合液壓機PLC控制系統，掌握控制程序的基本編程方法；

3）軟件硬件兼顧。實驗課內容以硬件為主，同時融入上機編程訓練。實驗要求學生根據課堂理論知識，針對不同控制目標，課前設計控制電路，編輯梯形圖程序，并與外部設備連接，調試程序；

4）由淺入深，循次漸進。實驗內容安排上，不但每一個實驗要自成體系，而且又是下一個實驗的基礎，中間環節緊緊相扣，形成一個完整的鏈條；

5）以教學促進科研。對陳舊設備更新改造，不但有利于新實驗的開發，同時為科研創造有力條件。實驗室兩臺315噸液壓機，承擔繁重的科研任務，利用率很高，由于電氣控制系統老化，使用中經常出現故障，在使用性能上不能滿足要求。控制系統的PLC改造對于設備的使用性能、設備維護維修都帶來了極大的方便，為科研的順利進行奠定基礎。

2應用實例

實驗內容分為四個部分。

2.1電氣控制基礎實驗

包括低壓電氣元件的組成、結構、拆裝、基本回路。通過元件的拆裝，了解其工作原理，為液壓機電氣控制系統實驗做鋪墊。

2.2液壓機液壓系統與電氣控制系統

液壓傳動是本專業學生的必修課，實驗中以鍛壓機械液壓系統為基礎，首先要求學生了解液壓機液壓傳動基本原理，液壓閥控制回路基本原理，由此引入電氣控制概念。實驗要求學生根據液壓機的動作原理，液壓系統的工作步驟，現場繪出電氣回路圖。該項內容不但鞏固了液壓傳動原理的知識，而且也使電氣控制技術課程內容與實際應用結合起來，達到由淺入深，循次漸進，由點及面的效果。

2.3液壓機PLC控制系統

液壓機的工作流程由滑塊快速下行、慢下加壓、壓制、保壓延時、卸壓回程、頂出缸頂出及頂出缸退回7個過程組成。這7個過程是在半自動及手工控制下實現的。在PLC自動控制的液壓機中，這7個過程可做到全自動依次進行，只有在人工按停止按鈕或急停按鈕干預的情況下方能停止。

液壓機的自動控制系統要求能實現自動及手動兩種控制方法。液壓機在正常工作時，選擇自動控制方式。

液壓機自動工作狀態：①液壓機滑塊靠自重快速下行；②液壓機滑塊慢下加壓；③接觸工件進行壓制；④達到預定壓力開始保壓；⑤保壓延時到卸壓回程；⑥回程到位后，延時一定的時間頂出缸頂出；⑦頂出到位后，延時一定的時間頂出缸退回；⑧延時一定的時間進行下一個工作循環。

其動作過程均由液壓閥控制，而液壓閥的動作由交流接觸器、過熱載繼電器、斷路器、壓力繼電器、延時繼電器等電氣元件組成的控制電路來實現。設備除了保留原有電氣元件控制電路，另一套為經改造后的PLC控制系統，兩套控制系統能分別對液壓機進行控制。學生可以通過對比兩種不同控制系統，加深對實驗內容的理解，更好地理解PLC在自動化控制中的優越性。本實驗使用的是OMRON的CP1H-XA型PLC，CP1H-XA型PLC定位于小型機，外形尺寸較小，但它卻是基于CS/CJ中型機平臺的，因此具備了很多中型機的功能。

CP1H-XA的主要特點如下：①I/O40點：（24點輸入、16點輸出）帶LED顯示；②內置模擬量4路輸入、2路輸出；③2位七段譯碼顯示器；④ 4軸高速計數功能及原點搜索功能：100kHz2軸、30kHz2軸；⑤除USB并行端口標準搭載，還有2個串行端口可自由選擇RS-232C、RS-485；⑥用戶程序容量20K步，數據存儲容量32K字；⑦編程軟件使用CX-P6.1版本。還有FA綜合工具包CX-ONE，可實現PLC與元器件外部設備的結合。

從液壓機的功能及實驗要求考慮，上述型號的PLC完全能夠滿足要求。

圖1所示為自行設計的液壓機PLC控制板，圖2所示為液壓機PLC控制系統流程圖。控制系統通過PLC實現了原來由繼電器控制的功能。學生在上一個實驗中已通過現場繪制繼電器控制系統的電路圖，對控制系統已有了初步的認識 ，通過了解PLC的控制過程，并將兩者加以比較。實驗內容包括：液壓機PLC控制原理、PLC控制過程、PLC編程等。在實驗操作中，要求學生通過PLC控制系統選擇液壓機工作方式，記錄液壓機每個工作狀態下PLC指示燈狀態，并以此為依據，反推出I/O分配表。

圖3所示為PLC控制綜合實驗裝置。該實驗是前幾個實驗的綜合應用。實驗內容針對機械設備中常見的電機單向轉動控制，電機正轉反轉控制、電機行程控制、電機Y-€%=減壓起動控制、電機反接制動控制。實驗要求學生明確控制目標，設計電路圖，再根據電路圖連接各個電氣元件，了解PLC編程軟件CX-Programmer的使用，并根據學過的梯形圖進行編程。首先確定I/O分配表，編寫梯形圖程序，然后用OMRON的仿真器CX-Simulator進行離線調試，最后連接外部設備，實現控制目標。

3結束語

經過實踐，實驗課取得了良好的課堂效果。學生普遍反映實驗內容新穎，設計安排合理，從基礎內容到綜合實驗，專業知識與電氣控制知識結合緊密，從硬件學習到軟件編程，各個實驗環節緊扣，課堂氣氛活躍。隨著教學改革的進行，實踐環節受到越來越多的重視，實驗學時量也在增加，但往往由于資金短缺，硬件條件不夠充分。在這種情況下實驗課應根據專業特色，利用現有科研設備，改革課程體系，將不同的課程內容貫穿起來，統籌安排。根據學生的實際能力與興趣，實驗分層次進行，最大程度地調動學生實驗課的積極性，為市場需求培養創新型、復合型機械工程類人才。

參考文獻

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