氣動PLC控制教具小型化的設(shè)計與實現(xiàn)

梁剛 蒙雪蘭 方良材

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西 南寧530007）

氣動PLC控制教具小型化的設(shè)計與實現(xiàn)

梁剛 蒙雪蘭 方良材

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西 南寧530007）

針對目前市場上氣動PLC控制教具多以實驗桌的形式出現(xiàn)，占用空間較大，而且跨科目實訓(xùn)通用性不強(qiáng)這一突出問題，提出了氣動PLC控制教具應(yīng)當(dāng)在滿足實驗實訓(xùn)要求的情況下盡量小型化、跨科目通用化的設(shè)計思路。根據(jù)這一設(shè)計思路，本文簡要闡述了一款小型化氣動PLC控制教具的設(shè)計、安裝與調(diào)試過程，旨在通過使用這樣的教具提高實驗實訓(xùn)室的使用效率。

氣動PLC控制；教具；小型化；設(shè)計；實現(xiàn)

設(shè)計背景

目前市場上氣動PLC控制教具多以實驗桌的形式出現(xiàn)。其優(yōu)點是綜合了氣動控制與PLC控制的實訓(xùn)內(nèi)容，可容納較多的元器件，在實訓(xùn)中可以根據(jù)需要更換元件便可完成不同的實訓(xùn)項目，對同一科目通用性較強(qiáng)。但實驗桌所占空間比較大，而且跨科目實訓(xùn)通用性不強(qiáng)。在土地資源越來越珍貴的今天，很多院校受場地的限制，對這些教具望而止步——并非購買不起，而是采購回來后沒有足夠的空間放置。因此，在社會經(jīng)濟(jì)不斷從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變、資源配置要求合理化的今天，如何設(shè)計教學(xué)儀器設(shè)備，在不增加土地和教室等資源消耗的情況下，又能滿足實驗實訓(xùn)的要求，有著十分重要的意義。

設(shè)計思路與要求

我院電工實驗實訓(xùn)室不僅可完成電氣控制線、照明電路以及電度表的安裝與調(diào)試，還可以實現(xiàn)機(jī)床電路維修、電子電路板焊接、PLC控制、傳感器以及變頻器安裝與設(shè)定等多門課程的典型實訓(xùn)項目。一間小小的實驗室為什么可以完成那么多的實訓(xùn)項目？究其原因，主要是這些教具大多沒有使用目前市場上熱賣的實驗桌，而是采用活動型的電路板塊。這些電路板塊在不使用時，可以疊放保存，占用空間少，便于管理，可騰出空間來完成其他種類的實驗實訓(xùn)項目。受此啟發(fā)，我們可以設(shè)計一款既可以在氣動控制教學(xué)中使用，也可以在PLC控制教學(xué)中使用，甚至還可用于傳感器部分教學(xué)內(nèi)容的教具。設(shè)計這一款教具的基本出發(fā)點是：要求在能夠保證設(shè)備功能綜合性的同時，使其占用空間盡可能少。

從教學(xué)要求上看，我們設(shè)計的教具，首先應(yīng)該具備開設(shè)氣動控制基本項目及部分?jǐn)U展項目實訓(xùn)的功能。氣動控制實訓(xùn)的基本項目主要有：換向回路、流量控制回路以及壓力控制回路三種基本氣動控制回路的安裝與調(diào)試。而開設(shè)這些實訓(xùn)項目，需要雙作用氣缸、二位五通電磁閥、節(jié)流閥、減壓閥等氣動元器件。除了滿足基本回路安裝與調(diào)試的實訓(xùn)外，教具還應(yīng)適應(yīng)更高層次實訓(xùn)項目的需求。在這里我們增加了三種回路：時間控制回路、同步回路和順序動作回路，并把它們作為教具的高級功能。其次，教具要利用PLC作為控制器來控制這些氣動回路的運行。因此，在PLC控制教學(xué)中，所需開設(shè)的實訓(xùn)不僅包括自鎖電路、互鎖電路以及延時通電電路等基礎(chǔ)電路的程序設(shè)計、電路接線及調(diào)試，還應(yīng)包括幾種不同方法順序動作電路的程序設(shè)計、電路接線及調(diào)試等綜合性實訓(xùn)項目。再次，使用磁性開關(guān)（一種傳感器）作為該教具控制系統(tǒng)的輸入元件。磁性開關(guān)需要帶磁性活塞的氣缸與之配合使用，其作用與行程開關(guān)一樣，用于行程控制。

設(shè)計方案

根據(jù)上述設(shè)計思路與要求，我們確定這款教具需采用三個氣缸來組成一個自我循環(huán)的工作系統(tǒng)，同時由PLC完成對這三個氣缸的控制，從而實現(xiàn)一種教具多門課程共同使用的功能。該教具實際是一個簡化了的、由PLC控制的、自我循環(huán)的氣動物料搬運系統(tǒng)，如圖1所示（圖中箭頭旁數(shù)字與工作過程步數(shù)一致）。其工作過程可描述為：第一步，所有氣缸復(fù)位；第二步，啟動運行，氣缸2帶動裝料盒至裝料位置，并停止；第三步，氣缸1推動物料進(jìn)入裝料盒，然后復(fù)位；第四步，氣缸2復(fù)位；第五步，氣缸3推動氣缸2移動至最大行程位置并停止；第六步，氣缸2帶動物料盒至出料位置并停止；第七步，氣缸1推動物料至供料點并復(fù)位；第八步，氣缸2復(fù)位；第九步，氣缸3復(fù)位，工作循環(huán)完成一個周期。由于物料可使用比較輕的物品，因此氣缸帶載能力不需要太高，這里可以選擇橫截面積、行程都比較小的氣缸，且全部需要活塞帶磁性的類型。根據(jù)搬運系統(tǒng)工作過程可以得知，至少需要兩個按鈕分別用于啟動和停止，至少需要六個磁性開關(guān)分別安裝在三個氣缸兩端的極限行程位置。

圖1 搬運系統(tǒng)工作過程示意圖

設(shè)計與實現(xiàn)

（一）硬件設(shè)計

由于實驗室已經(jīng)有一定數(shù)量的單臺PLC主機(jī)，并且此教具需要使用的外部接線端數(shù)量也控制在了目前市場常見的最小PLC所提供的點數(shù)范圍內(nèi)，因此，作為主控制器的核心元件PLC并不需要重新購買。根據(jù)設(shè)計方案，可以得到組裝該教具各元件清單及價目，如表1所示。表1中的各元件均可在學(xué)校附近的機(jī)電市場采購到，使得作為經(jīng)常拆裝的教具在出現(xiàn)元器件損壞時可方便地更換。綜合上述硬件需求，一套這樣的元件成本可以控制在600元以內(nèi)，比起一些動輒上萬元一臺的專用教學(xué)實驗桌，成本大大降低，使得“少花錢，多辦事”成為可能。

表1 系統(tǒng)元件清單及價目表

根據(jù)前文對該教具設(shè)計要求的描述，可得這款教具的PLC控制系統(tǒng)通道分配，如表2所示。其中，系統(tǒng)工作過程的第七步，可以通過定時器定時，并可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)氣缸1的運動速度來實現(xiàn)氣缸1完成第七步的往復(fù)運動。

表2 I/O通道分配表

教具的支架加工及組裝都是精度要求很高的工作。在這里，支架選擇截面為38×25mm、壁厚為1mm的不銹鋼方管作為原材料。底座部分按照“豎橫豎”的方式排布焊接在一起，從而在中間形成一個物料移動導(dǎo)向槽。支架本身全部采用點焊連接方式，并在氣缸安裝處預(yù)留通孔，用于安裝氣缸。根據(jù)表2中的通道分配，可以得出PLC的外部電路接線圖，如圖2（a）所示，各氣缸磁性開關(guān)安裝位置如圖2（b）所示，氣動回路設(shè)計如圖2（c）所示。由圖2可以看出，電路接線并不復(fù)雜，容易實現(xiàn)，而且可以在非常短的時間內(nèi)完成。

由于氣缸3位置的特殊性，除要求其運動軌跡為直線外，活塞連桿是不能發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動的，否則將會出現(xiàn)氣缸2不垂直導(dǎo)軌現(xiàn)象。同時，氣缸2由于連接著裝料盒，活塞連桿也是不能發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動的。因此，在設(shè)計過程中，可采用活塞連桿為正六邊形的氣缸作為氣缸2和氣缸3的標(biāo)準(zhǔn)配備。當(dāng)然，也可以采用雙缸氣缸或者是平行雙氣缸同步控制回路來實現(xiàn)這兩個位置的直線不旋轉(zhuǎn)運動。其中，后者成本因氣缸數(shù)目的增加而增加，顯得教具的性價比并不是那么突出，同時對支架的加工及氣缸的安裝這兩項工作的精度要求將會變得更高。比如平行氣缸的安裝一定要保證氣缸平行，且在工作時必須同步推出或者縮回，否則容易出現(xiàn)磨損，平行度差時甚至?xí)霈F(xiàn)自鎖現(xiàn)象而無法運行。

（二）軟件設(shè)計

根據(jù)前文所述的系統(tǒng)工作過程，可用順序控制編程方法進(jìn)行編程。主要方法有：步進(jìn)指令、起保停電路以及以轉(zhuǎn)換為中心的編程方法。在本設(shè)計中我們采用步進(jìn)指令方法進(jìn)行編程。其順序功能如圖3所示。其中S0為系統(tǒng)復(fù)位待機(jī)狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X1即啟動按鈕接通；S20為物料盒進(jìn)入裝料位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X5即氣缸2下限位磁性開關(guān)接通；S21為推料進(jìn)盒狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X2即氣缸1左限位磁性開關(guān)接通；S22為推料復(fù)位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X3即氣缸1右限位磁性開關(guān)接通；S23為物料盒抬升狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X4即氣缸2上限位磁性開關(guān)接通；S24為物料盒右移狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X7即氣缸3右限位磁性開關(guān)接通；S25為物料盒下降狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X5即氣缸2下限位磁性開關(guān)接通；S26為出料狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為T0即定時器延時常開觸點接通；S27為出料復(fù)位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X3即氣缸1右限位磁性開關(guān)接通；S28為物料盒抬升復(fù)位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X4即氣缸2上限位磁性開關(guān)接通；S29為物料盒左移復(fù)位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X6即氣缸3左限位磁性開關(guān)接通。

圖2 電路及氣路原理圖

圖3 PLC功能圖

根據(jù)順序功能圖可輕松地轉(zhuǎn)化為梯形圖程序。

（三）程序仿真與調(diào)試

完成了梯形圖程序設(shè)計，在真正用于控制系統(tǒng)前，還必須經(jīng)過仿真軟件進(jìn)行模擬調(diào)試，除了觀察每一步是否在相應(yīng)的轉(zhuǎn)移條件下能夠順利轉(zhuǎn)移之外，還應(yīng)注意輸出線圈是否能夠順利接通。確定了調(diào)試核對目標(biāo)便可完成對程序設(shè)計進(jìn)行仿真檢測這一項設(shè)計內(nèi)容。

（四）教具的組裝與調(diào)試

程序仿真與調(diào)試成功后，就可進(jìn)行教具的組裝與調(diào)試了。在組裝時選擇的是行程最大為150mm的氣缸，所以整套設(shè)備橫過來放置長度不超過800mm，高度不超過400mm，寬度也不超過200mm，因此體積較小。而且由于這樣的體積，普通課桌的桌面都能放置得下，即使加上PLC主機(jī)模塊也能容納得下。

結(jié)語

設(shè)計組裝完成后，使用該系統(tǒng)可以完成氣動控制回路安裝實訓(xùn)、PLC控制電路安裝實訓(xùn)、PLC控制程序設(shè)計等實訓(xùn)項目。由于PLC控制程序可更改，該搬運系統(tǒng)的工作流程也可以隨之改變。從組裝結(jié)果來看，體積滿足了設(shè)計要求，不至于有太大元件難以放置，從而實現(xiàn)了設(shè)備小型化、合理利用教室資源的目標(biāo)。

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[3]黃偉玲.基于PLC的氣動搬運機(jī)械手設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2009，（10）.

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G712文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-5727（2011）11-0156-03

梁剛（1982—），男，壯族，廣西南寧人，工程碩士，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向為機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動化。

蒙雪蘭（1970—），女，壯族，廣西南寧人，工學(xué)碩士，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系副教授，研究方向為機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動化。

方良材（1982—），男，廣西南寧人，工程碩士，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向為機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)電設(shè)備維修。