可編程控制器控制系統設計與調試一體化課程設計

魏海翔　 劉翠華

摘 要：可編程控制器控制系統設計與調試一體化課程設計是根據企業對高技能型人才的要求，并聯系企業生產實際要求實施的一門綜合應用型課程。該課程以企業實際工程為主線，以高新技術為支撐，以全新的一體化教學模式為載體，培養高素質的技術技能型人才，促進技工教育和職業培訓教學改革和發展。本文從可編程控制器控制系統設計與調試課程總體設計、可編程控制器控制系統設計與調試課程實施詳細步驟及可編程控制器系統設計與調試課程實施項目等方面進行了闡述。

關鍵詞：可編程控制器 課程設計 一體化教學 技能人才

在當代先進制造業中，現代化生產都實現了自動化控制，這不但適應了社會經濟的發展，急速減少了操作工人的數量，解決了我國當前工業經濟發展中遇到的用工荒問題，而且大幅度提高了產品質量和生產效率，提升了我國工業的競爭力。為實現自動化生產，現代工業都采用了可編程控制器進行系統控制，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，繼電器控制系統的體積龐大、線路復雜、靈活性差、成本高、可靠性差、維修困難等缺點是無法克服的，不能適應當代快速發展的工業生產需求。而以可編程控制器為核心的可編程序控制系統集三電（電控、電儀、電傳）為一體，具備自動化集成度高、技改靈活、運行穩定可靠、擴展方便等優點，因此，可編程控制器成為現代工業自動化的三大技術支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一，成為工業4.0的主要技術之一。

中國要從制造大國轉變為制造強國，掌握先進的現代工業自動化技術是必不可少的。現代化生產中，可編程控制器控制技術已經成為電氣技術人員和工科學生的基本要求，但在實際教學中發現能熟練掌握和運用可編程控制器控制技術的學生很少，這就要求有新的一體化教學來促使學生熟練掌握這門技術。

一、可編程控制器控制系統設計與調試課程總體設計

可編程控制器控制系統設計與調試一體化課程結合了企業實際工程，以工程技術人員完成整個項目的工作過程為教授的模板，以培養工程技術人員的方法培養學生，培養學生的學習能力、思考能力、動手能力、團隊合作能力等，以提升學生的綜合能力為主要目的，促使學生牢牢掌握先進的工業自動化技術，并能運用所學的技術技能解決實現工作中所遇到的問題。教師在可編程控制器控制系統設計與調試一體化課程中，除了向學生傳授先進的工業自動化技術之外，更重要的是指導學生如何進行正確的分析問題、解決問題、總結問題，為學生日后能成為高技能型人才打下堅實的基礎。從事這門課程教學的教師要有豐富企業經驗和較強的教學能力，對教師也是一個提升。

可編程控制器控制系統設計與調試課程結合了多門課程：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（控制線路的設計及制作）、電工基礎（元件的選擇）、傳感器技術（傳感器的選擇及使用）、寫作（編寫技術文件）、PLC技術（控制系統的設計）、變頻器技術（控制系統的設計）、觸摸屏技術（控制系統的設計）、組態技術（控制系統的設計）等，是一門多學科的綜合應用，是學生畢業前的一次實戰。

可編程控制器控制系統設計與調試課程教學主要是以學生為主，教師為輔；學生獨立完成，教師監控指導；貼近企業生產實戰，培養技能技術，培養技術員，以一畢業就能上手為目的。

可編程控制器控制系統設計與調試課程真實再現技術項目實施的全過程，從提出工藝要求→過程設計→元件選擇→電柜制作→程序編寫→安裝設備調試→技術資料整理→交設備、技術資料→驗收。通過該課程的學習，學生能充分體驗作為一個工控人的樂趣和存在的工作壓力，掌握進行企業技術改造的流程和工作方法。

可編程控制器控制系統設計與調試課程實行分組學習，項目連續實施，每組4人，團隊合作完成。

二、可編程控制器控制系統設計與調試課程實施詳細步驟

1.根據客戶的項目工藝要求，確定項目的電氣控制方案

根據客戶提供的項目工藝流程、工藝要求和完成的目標，仔細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，撰寫項目設計任務書，在對工藝要求有疑問時要及時與客戶聯系溝通，確保設計方案的正確性。通過這個步驟，培養了學生的分析問題、發現問題、解決問題的能力和與人溝通的能力，也讓學生對所學的電氣控制技術進行一次總結，另外也讓學生學習到了正在企業中運用到的先進技術，學生也能掌握電氣控制系統設計理念。

2.根據設計任務書進行項目的設備選型

以項目控制系統設計方案為基礎，選擇控制所需的開關、按鈕、傳感器等系統輸入設備的型號和品牌，以及指示燈、中間繼電器等系統輸出設備的型號和品牌；根據輸入輸入信號類型和數量，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、特殊模塊等內容；根據動力要求，通過計算力矩的大小，并根據動力運行模式，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。在這個環節，教師教授學生做預算、選型、計算力矩等方面的基礎知識，學生可以通過網絡調查、電氣設備市場咨詢等方式進行工程實踐，了解電氣設備的類型、質量、價格等方面的知識，掌握如何做預算、如何選型、如何計算力矩等工程技術人員必備的知識，為自己擁有設計能力打下基礎。

3.設計項目的電氣電路圖

根據項目控制系統設計方案和設備的選型進行項目電氣電路設計。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，設計外圍電路設計，并轉化為電氣原理圖、接線圖。在這部分，學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律，以及電氣制圖的方法和電氣元件標識及繪制，學會使用CAD進行電氣電路圖的設計，另外也能進行電氣設備布置圖、接線圖的設計。

4.裝配電氣硬件

根據項目電氣器件布置圖、接線圖，進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，讓學生開闊視野，了解國際技能標準并掌握。學生經過這個過程的訓練，要能進行電氣硬件的設計和現場施工，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；根據接線圖按世界技能裝配工藝標準進行現場接線，包括導線的使用、冷壓端子的壓制、線路的連接等方面內容，并進行詳細檢查線路連接的正確性。

5.項目程序設計

根據項目控制系統設計方案進行程序設計，結合項目的工藝過程選擇適合的編程方法，比如是使用經驗法編程方法，還是用步進編程方法。編寫的程序以要滿足系統控制要求為主線，分別編寫實現各部分控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統整體功能。教師結合世界技能大賽機電一體化項目，講解在企業工程項目中編程要注意的內容：安全保護措施的設計、人機對話的設計、程序相互保護設計、優化設計等。學生通過編寫具體的工程項目，有了實際工程程序設計的經驗，學與用不再脫節，學生通過學習編程設計，掌握工程編程設計技巧，不會覺得工程程序設計高深莫測，樹立起日后從事技術工作的信心。

6.項目程序的模擬調試

項目程序設計完成后，還要進行模擬調試，模擬工程項目現場運行過程，給程序運行提供運行信號，觀察程序運行的結果是否符合項目要求，確保程序的正確性。學生通過模擬調試掌握二種模擬調試的方法：硬件模擬法、軟件模擬法。學生可以通過使用按鈕、信號發生器等硬件設備模擬產生現場的信號，并將這些信號連到PLC系統的輸入端，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。學生也可以編寫一套模擬程序，模擬提供現場信號，通過軟件的監控功能來判斷程序的正確性。

7.聯機調試

程序模擬調試完成后，把該程序應用到工程項目中。調試過程應循序漸進方式，從PLC只連接輸入設備、再連接輸出設備、再接上實際負載等逐步進行調試。不符合設計要求的，就對硬件或程序做出相應的調整。另外，根據實現情況進行程序和機械優化，在安全可靠的前提下，盡可能地提高設備工作效率和減小能耗。全部調試完畢后，交付試運行。經過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改，保存程序，防止丟失。在調試中，學生會發現很多問題，教師只是起引導作用，培養學生獨立解決問題的能力。

8.整理和編寫技術文件

項目設計、安裝、編程、調試完后，要進行技術文件編寫和整理，把使用說明書、技術說明書、電氣電路圖、線路接線圖、電氣元件明細表、PLC程序等交給客戶。教師在這個環節要教授技術文件撰寫技能。學生通過這個環節，既掌握了技術文件的撰寫，同時也提高了他們的寫作能力，為他們日后寫作論文打下基礎。

三、可編程控制器系統設計與調試課程實施項目

以項目—退火爐傳輸輥道PLC控制系統設計為例。

傳輸輥道是在生產企業中最常見、使用最廣的設備之一；它用來傳送物料，節省人力、提高生產效率；傳輸系統即可實行簡單控制，也可實施復雜的全自動控制。該項目可根據學生對知識的掌握程度設置難易度，但都可實際運用在生產中，使學生掌握生產工藝和電氣設備設計技巧。

設計任務書內容為：

1.設計題目

退火爐物料輸送輥道PLC控制系統設計

2.設計要求

（1）設計基本要求。

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鎖必須符合工藝要求。

③控制系統應能滿足全自動循環加工工藝和手動調整工藝的需求。

④輸送輥道按順序一個物料進入退火爐，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。再接著第二次工作。

⑤本系統主電路供電系統電壓為交流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進行系統設計時，要注意安全措施設計、硬件聯鎖設計、電壓等級設計、PLC程序聯鎖設計等方面。

（2）技術改造要求（可任意選擇其中的一項或多項）。

①在不同的區域實施多段變頻速度控制。

②根據爐溫實施自動控制。

③使用觸摸屏實行人機對話。

④實行電腦監控。

（3）設計技術參數。

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）設計內容。

①根據退火爐物料輸送輥道運行工藝和控制流程設計功能圖表。

②根據設計要求，選擇控制方案。

③進行PLC選型，設計PLC硬件系統，畫出相應的PLC接線圖。

④選擇PLC控制系統元件，并列出元件明細清單。

⑤控制柜的設計及外圍元件的設計。

⑥設計PLC控制梯形圖。

⑦編寫設計說明書。

（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、指示燈、行程開關、光電開關、接近開關

⑧220V交流接觸器、24V直流中間繼電器、DC24V電源

⑨控制導線、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

可編程控制器控制系統設計與調試一體化課程是通過學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生的學習興趣，同時提高了學生的電氣自動化技術和技能，而且使學生深刻領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、節省，更重要的是學生學會了日后從事技術工作的工作方法。

參考文獻：

[1]劉曉青，李晉.電氣控制與可編程序控制器教學思考[J].中國電力教育，2011（7）.

[2]魏志強.淺析學好PLC的必備條件[J].職業，2014（36）.

[3]袁琦；劉曉梅等.PLC應用技術課程教學改革的研究與實踐[J].教育教學論壇，2015（4）.

[4]陳在平等.可編程序控制器技術與應用系統設計[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5]廖常初.PLC基礎及應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

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