可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試一體化課程設(shè)計

魏海翔　 劉翠華

摘 要：可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試一體化課程設(shè)計是根據(jù)企業(yè)對高技能型人才的要求，并聯(lián)系企業(yè)生產(chǎn)實際要求實施的一門綜合應(yīng)用型課程。該課程以企業(yè)實際工程為主線，以高新技術(shù)為支撐，以全新的一體化教學(xué)模式為載體，培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)技能型人才，促進(jìn)技工教育和職業(yè)培訓(xùn)教學(xué)改革和發(fā)展。本文從可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程總體設(shè)計、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程實施詳細(xì)步驟及可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程實施項目等方面進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：可編程控制器 課程設(shè)計 一體化教學(xué) 技能人才

在當(dāng)代先進(jìn)制造業(yè)中，現(xiàn)代化生產(chǎn)都實現(xiàn)了自動化控制，這不但適應(yīng)了社會經(jīng)濟的發(fā)展，急速減少了操作工人的數(shù)量，解決了我國當(dāng)前工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中遇到的用工荒問題，而且大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，提升了我國工業(yè)的競爭力。為實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，現(xiàn)代工業(yè)都采用了可編程控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制，淘汰了以往以接觸器、繼電器等電氣元件為主的繼電器控制系統(tǒng)，繼電器控制系統(tǒng)的體積龐大、線路復(fù)雜、靈活性差、成本高、可靠性差、維修困難等缺點是無法克服的，不能適應(yīng)當(dāng)代快速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)需求。而以可編程控制器為核心的可編程序控制系統(tǒng)集三電（電控、電儀、電傳）為一體，具備自動化集成度高、技改靈活、運行穩(wěn)定可靠、擴展方便等優(yōu)點，因此，可編程控制器成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大技術(shù)支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一，成為工業(yè)4.0的主要技術(shù)之一。

中國要從制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆妵莆障冗M(jìn)的現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)是必不可少的。現(xiàn)代化生產(chǎn)中，可編程控制器控制技術(shù)已經(jīng)成為電氣技術(shù)人員和工科學(xué)生的基本要求，但在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)能熟練掌握和運用可編程控制器控制技術(shù)的學(xué)生很少，這就要求有新的一體化教學(xué)來促使學(xué)生熟練掌握這門技術(shù)。

一、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程總體設(shè)計

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試一體化課程結(jié)合了企業(yè)實際工程，以工程技術(shù)人員完成整個項目的工作過程為教授的模板，以培養(yǎng)工程技術(shù)人員的方法培養(yǎng)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、思考能力、動手能力、團隊合作能力等，以提升學(xué)生的綜合能力為主要目的，促使學(xué)生牢牢掌握先進(jìn)的工業(yè)自動化技術(shù)，并能運用所學(xué)的技術(shù)技能解決實現(xiàn)工作中所遇到的問題。教師在可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試一體化課程中，除了向?qū)W生傳授先進(jìn)的工業(yè)自動化技術(shù)之外，更重要的是指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行正確的分析問題、解決問題、總結(jié)問題，為學(xué)生日后能成為高技能型人才打下堅實的基礎(chǔ)。從事這門課程教學(xué)的教師要有豐富企業(yè)經(jīng)驗和較強的教學(xué)能力，對教師也是一個提升。

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程結(jié)合了多門課程：CAD制圖（畫電氣控制圖）、工具的使用及機械加工（電箱制作）、電力拖動（控制線路的設(shè)計及制作）、電工基礎(chǔ)（元件的選擇）、傳感器技術(shù)（傳感器的選擇及使用）、寫作（編寫技術(shù)文件）、PLC技術(shù)（控制系統(tǒng)的設(shè)計）、變頻器技術(shù)（控制系統(tǒng)的設(shè)計）、觸摸屏技術(shù)（控制系統(tǒng)的設(shè)計）、組態(tài)技術(shù)（控制系統(tǒng)的設(shè)計）等，是一門多學(xué)科的綜合應(yīng)用，是學(xué)生畢業(yè)前的一次實戰(zhàn)。

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程教學(xué)主要是以學(xué)生為主，教師為輔；學(xué)生獨立完成，教師監(jiān)控指導(dǎo)；貼近企業(yè)生產(chǎn)實戰(zhàn)，培養(yǎng)技能技術(shù)，培養(yǎng)技術(shù)員，以一畢業(yè)就能上手為目的。

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程真實再現(xiàn)技術(shù)項目實施的全過程，從提出工藝要求→過程設(shè)計→元件選擇→電柜制作→程序編寫→安裝設(shè)備調(diào)試→技術(shù)資料整理→交設(shè)備、技術(shù)資料→驗收。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能充分體驗作為一個工控人的樂趣和存在的工作壓力，掌握進(jìn)行企業(yè)技術(shù)改造的流程和工作方法。

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程實行分組學(xué)習(xí)，項目連續(xù)實施，每組4人，團隊合作完成。

二、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程實施詳細(xì)步驟

1.根據(jù)客戶的項目工藝要求，確定項目的電氣控制方案

根據(jù)客戶提供的項目工藝流程、工藝要求和完成的目標(biāo)，仔細(xì)分析完成每個工藝流程步驟所要涉及的機械動作，以及要完成機械動作所需的電機、液壓、氣動等運行方式，提出控制方案，確定控制方式，撰寫項目設(shè)計任務(wù)書，在對工藝要求有疑問時要及時與客戶聯(lián)系溝通，確保設(shè)計方案的正確性。通過這個步驟，培養(yǎng)了學(xué)生的分析問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力和與人溝通的能力，也讓學(xué)生對所學(xué)的電氣控制技術(shù)進(jìn)行一次總結(jié)，另外也讓學(xué)生學(xué)習(xí)到了正在企業(yè)中運用到的先進(jìn)技術(shù)，學(xué)生也能掌握電氣控制系統(tǒng)設(shè)計理念。

2.根據(jù)設(shè)計任務(wù)書進(jìn)行項目的設(shè)備選型

以項目控制系統(tǒng)設(shè)計方案為基礎(chǔ)，選擇控制所需的開關(guān)、按鈕、傳感器等系統(tǒng)輸入設(shè)備的型號和品牌，以及指示燈、中間繼電器等系統(tǒng)輸出設(shè)備的型號和品牌；根據(jù)輸入輸入信號類型和數(shù)量，控制對象，選擇可編程控制器型號，確定可編程控制器容量、I/O點數(shù)、特殊模塊等內(nèi)容；根據(jù)動力要求，通過計算力矩的大小，并根據(jù)動力運行模式，選擇電機類型如：伺服電機、變頻電機、普通電機等，并選擇電機的容量和型號。在這個環(huán)節(jié)，教師教授學(xué)生做預(yù)算、選型、計算力矩等方面的基礎(chǔ)知識，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查、電氣設(shè)備市場咨詢等方式進(jìn)行工程實踐，了解電氣設(shè)備的類型、質(zhì)量、價格等方面的知識，掌握如何做預(yù)算、如何選型、如何計算力矩等工程技術(shù)人員必備的知識，為自己擁有設(shè)計能力打下基礎(chǔ)。

3.設(shè)計項目的電氣電路圖

根據(jù)項目控制系統(tǒng)設(shè)計方案和設(shè)備的選型進(jìn)行項目電氣電路設(shè)計。首先分配可編程控制器的I/O點，畫出I/O分配表，以可編程控制器的核心，設(shè)計外圍電路設(shè)計，并轉(zhuǎn)化為電氣原理圖、接線圖。在這部分，學(xué)生對電氣電路圖不但要能看得懂，還得深刻理解，掌握電氣電路圖的特點和一般規(guī)律，以及電氣制圖的方法和電氣元件標(biāo)識及繪制，學(xué)會使用CAD進(jìn)行電氣電路圖的設(shè)計，另外也能進(jìn)行電氣設(shè)備布置圖、接線圖的設(shè)計。

4.裝配電氣硬件

根據(jù)項目電氣器件布置圖、接線圖，進(jìn)行控制柜和操作臺的制作。在這個過程中，教師傳授機械加工、電氣硬件裝配的經(jīng)驗和方法，并傳授世界技能大賽機電一體化項目裝配工藝要求，讓學(xué)生開闊視野，了解國際技能標(biāo)準(zhǔn)并掌握。學(xué)生經(jīng)過這個過程的訓(xùn)練，要能進(jìn)行電氣硬件的設(shè)計和現(xiàn)場施工，掌握機械加工方法，如機械工具的使用、鈑金加工、機床使用等，并具有機械裝配的能力；根據(jù)接線圖按世界技能裝配工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場接線，包括導(dǎo)線的使用、冷壓端子的壓制、線路的連接等方面內(nèi)容，并進(jìn)行詳細(xì)檢查線路連接的正確性。

5.項目程序設(shè)計

根據(jù)項目控制系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行程序設(shè)計，結(jié)合項目的工藝過程選擇適合的編程方法，比如是使用經(jīng)驗法編程方法，還是用步進(jìn)編程方法。編寫的程序以要滿足系統(tǒng)控制要求為主線，分別編寫實現(xiàn)各部分控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)整體功能。教師結(jié)合世界技能大賽機電一體化項目，講解在企業(yè)工程項目中編程要注意的內(nèi)容：安全保護(hù)措施的設(shè)計、人機對話的設(shè)計、程序相互保護(hù)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計等。學(xué)生通過編寫具體的工程項目，有了實際工程程序設(shè)計的經(jīng)驗，學(xué)與用不再脫節(jié)，學(xué)生通過學(xué)習(xí)編程設(shè)計，掌握工程編程設(shè)計技巧，不會覺得工程程序設(shè)計高深莫測，樹立起日后從事技術(shù)工作的信心。

6.項目程序的模擬調(diào)試

項目程序設(shè)計完成后，還要進(jìn)行模擬調(diào)試，模擬工程項目現(xiàn)場運行過程，給程序運行提供運行信號，觀察程序運行的結(jié)果是否符合項目要求，確保程序的正確性。學(xué)生通過模擬調(diào)試掌握二種模擬調(diào)試的方法：硬件模擬法、軟件模擬法。學(xué)生可以通過使用按鈕、信號發(fā)生器等硬件設(shè)備模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號連到PLC系統(tǒng)的輸入端，操作輸入信號觀察輸出信號是否正確，來檢測程序的正確性。學(xué)生也可以編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，通過軟件的監(jiān)控功能來判斷程序的正確性。

7.聯(lián)機調(diào)試

程序模擬調(diào)試完成后，把該程序應(yīng)用到工程項目中。調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn)方式，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。不符合設(shè)計要求的，就對硬件或程序做出相應(yīng)的調(diào)整。另外，根據(jù)實現(xiàn)情況進(jìn)行程序和機械優(yōu)化，在安全可靠的前提下，盡可能地提高設(shè)備工作效率和減小能耗。全部調(diào)試完畢后，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改，保存程序，防止丟失。在調(diào)試中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)很多問題，教師只是起引導(dǎo)作用，培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力。

8.整理和編寫技術(shù)文件

項目設(shè)計、安裝、編程、調(diào)試完后，要進(jìn)行技術(shù)文件編寫和整理，把使用說明書、技術(shù)說明書、電氣電路圖、線路接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序等交給客戶。教師在這個環(huán)節(jié)要教授技術(shù)文件撰寫技能。學(xué)生通過這個環(huán)節(jié)，既掌握了技術(shù)文件的撰寫，同時也提高了他們的寫作能力，為他們?nèi)蘸髮懽髡撐拇蛳禄A(chǔ)。

三、可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試課程實施項目

以項目—退火爐傳輸輥道PLC控制系統(tǒng)設(shè)計為例。

傳輸輥道是在生產(chǎn)企業(yè)中最常見、使用最廣的設(shè)備之一；它用來傳送物料，節(jié)省人力、提高生產(chǎn)效率；傳輸系統(tǒng)即可實行簡單控制，也可實施復(fù)雜的全自動控制。該項目可根據(jù)學(xué)生對知識的掌握程度設(shè)置難易度，但都可實際運用在生產(chǎn)中，使學(xué)生掌握生產(chǎn)工藝和電氣設(shè)備設(shè)計技巧。

設(shè)計任務(wù)書內(nèi)容為：

1.設(shè)計題目

退火爐物料輸送輥道PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

2.設(shè)計要求

（1）設(shè)計基本要求。

①退火爐物料輸送輥道控制主線路由一臺1.5kW的Y系列三相交流異步電機及其控制元件組成。

②爐門的升降和輥道的運行之間的配合和聯(lián)鎖必須符合工藝要求。

③控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足全自動循環(huán)加工工藝和手動調(diào)整工藝的需求。

④輸送輥道按順序一個物料進(jìn)入退火爐，滿足一定條件后，再把物料輸送出退火爐，完成了一次輸送任務(wù)。再接著第二次工作。

⑤本系統(tǒng)主電路供電系統(tǒng)電壓為交流380V、控制電路為交流220V、PLC控制電路為直流24V、指示燈為直流24V。

⑥進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，要注意安全措施設(shè)計、硬件聯(lián)鎖設(shè)計、電壓等級設(shè)計、PLC程序聯(lián)鎖設(shè)計等方面。

（2）技術(shù)改造要求（可任意選擇其中的一項或多項）。

①在不同的區(qū)域?qū)嵤┒喽巫冾l速度控制。

②根據(jù)爐溫實施自動控制。

③使用觸摸屏實行人機對話。

④實行電腦監(jiān)控。

（3）設(shè)計技術(shù)參數(shù)。

①輥道電機：Y112M-1.5 1.5kW 1440r/min 2.2A 380V

②爐門升降電機：Y112M-1.5 1.5kW 1440r/min 2.2A 380V

（4）設(shè)計內(nèi)容。

①根據(jù)退火爐物料輸送輥道運行工藝和控制流程設(shè)計功能圖表。

②根據(jù)設(shè)計要求，選擇控制方案。

③進(jìn)行PLC選型，設(shè)計PLC硬件系統(tǒng)，畫出相應(yīng)的PLC接線圖。

④選擇PLC控制系統(tǒng)元件，并列出元件明細(xì)清單。

⑤控制柜的設(shè)計及外圍元件的設(shè)計。

⑥設(shè)計PLC控制梯形圖。

⑦編寫設(shè)計說明書。

（5）所需元件。

①三菱PLC：FX2N-48MR-001

②三菱溫度模塊：FX2N-4AD-TC

③熱電偶：K型

④三菱變頻器：FR-D740-3.7K-CHT

⑤三菱觸摸屏：GT1100-Q-C

⑥電箱：800X800X500（底板、面板可更換）

⑦按鈕開關(guān)、指示燈、行程開關(guān)、光電開關(guān)、接近開關(guān)

⑧220V交流接觸器、24V直流中間繼電器、DC24V電源

⑨控制導(dǎo)線、電纜、線號管、線槽、卡軌

（6）所需工具。

①電鉆、開孔器、絲錐、鉆頭

②萬用表、電工工具等

四、小結(jié)

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試一體化課程是通過學(xué)生自己動手完成工程實例的一門課程，該課程不但提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時提高了學(xué)生的電氣自動化技術(shù)和技能，而且使學(xué)生深刻領(lǐng)悟和掌握了世界技能大賽機電一體化項目的精髓：安全、可靠、高效、節(jié)省，更重要的是學(xué)生學(xué)會了日后從事技術(shù)工作的工作方法。

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（作者單位：魏海翔，中山市技師學(xué)院、華南理工大學(xué)；劉翠華，中山市黃圃鎮(zhèn)科委）