工廠PLC應(yīng)用實訓(xùn)裝置設(shè)計與研發(fā)

任娜

摘 要：技工類院校肩負的職能就是為社會培養(yǎng)合格的、實用的技能應(yīng)用型人才。通過市場調(diào)研，可以了解到企業(yè)對一名合格的電氣設(shè)備安裝與操作人員所須具備的基本知識和實踐技能。對比市場現(xiàn)有的相關(guān)教學(xué)設(shè)備，再結(jié)合本校的實際教學(xué)需求，提出一種基于松下FP0系列PLC為核心的面向工廠應(yīng)用的實訓(xùn)裝置。該裝置適用于大中專院校、技校、職業(yè)學(xué)校中的機電一體化、電氣控制、自動化、機器人專業(yè)，可作為機、電、氣一體化的綜合實訓(xùn)裝置。

關(guān)鍵詞：面向工廠；應(yīng)用 PLC；實訓(xùn)裝置

中圖分類號：TM76 文獻標(biāo)識碼：A

一、研究背景及設(shè)計要求

PLC技術(shù)滲透在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，它體積小、可靠性高，是計算機、自動控制、軟件技術(shù)發(fā)展相結(jié)合的產(chǎn)物，在先進工業(yè)國家中，PLC已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。是機電專業(yè)中必開的課程。目前我校機電專業(yè)的PLC課程教學(xué)，采用的是教學(xué)儀器生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的成套設(shè)備。在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，這些成套設(shè)備采用的是模擬操作的形式，即利用發(fā)光二極管來模擬控制設(shè)備，體現(xiàn)PLC控制程序的執(zhí)行過程和結(jié)果，這樣就造成了與工廠的實際應(yīng)用產(chǎn)生脫節(jié)的情況。學(xué)生畢業(yè)到工廠工作時，面臨從模擬操作到實際操作的一個磨合和轉(zhuǎn)換過程，需要再次學(xué)習(xí)。隨著學(xué)校的發(fā)展，我們意識到這類教學(xué)設(shè)備與當(dāng)前的職教理念、技工院校學(xué)生的特點都是不相匹配的。對于我們技工類院校，更要注重學(xué)生對技能的掌握以及與工廠的結(jié)合，這對教學(xué)過程、教學(xué)設(shè)備提出了較高的要求，這種仿真設(shè)備難以滿足教學(xué)的需要。

本文提出的“面向工廠應(yīng)用”即是針對上述矛盾和問題，將工廠車間機電部分實際情況加以還原，來開發(fā)新的PLC教學(xué)實訓(xùn)裝置。首先提煉大量工作場景：在工廠里，大批量的自動化生產(chǎn)中，比如“加工中心”中的自動換刀操作、自動化生產(chǎn)線的上、下料等操作；在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)中，比如實現(xiàn)自動抓取、分揀、搬運等操作。進而對該裝置提出了這樣的一種設(shè)計要求：即要求該裝置是一種能夠按照使用者編寫好的PLC程序、運行軌跡和生產(chǎn)過程的要求，實現(xiàn)工廠中比如自動抓取、分揀、搬運等一系列操作的自動化機械裝置。

二、實訓(xùn)裝置的組成

面向工廠應(yīng)用的PLC實訓(xùn)裝置主要由5部分組成，分別是控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)以及檢測裝置、工件等。這5部分互相關(guān)聯(lián)，共同實現(xiàn)功能，實訓(xùn)裝置組成方框圖如圖1所示。

（一）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用了PLC作為實訓(xùn)裝置的控制中心，利用PLC的邏輯控制實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的點位控制。根據(jù)工廠實際生產(chǎn)要求，確定裝置動作流程，編寫對應(yīng)的程序，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。方便快捷、易用易維護。學(xué)生通過各種場景的工作要求，進行編程訓(xùn)練，提升技能。

（二）驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)采用氣壓傳動方式。由于氣動控制具備動作迅速、反應(yīng)快、維護簡單、工作介質(zhì)清潔、工作環(huán)境適應(yīng)性好的特點，氣動元件具備結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制造、成本低廉、使用壽命長、可靠性高的特點，綜合各方面考慮，本裝置采用氣壓傳動方式。同時，學(xué)生可以通過氣動系統(tǒng)學(xué)習(xí)氣動回路的設(shè)計、元器件的選用、安裝調(diào)試的知識。

（三）執(zhí)行機構(gòu)

本實訓(xùn)裝置設(shè)計有水平伸縮運動、垂直升降（上下）運動、順時針方向及逆時針方向旋轉(zhuǎn)運動，采用氣缸和立柱實現(xiàn)。末端執(zhí)行裝置的夾緊、放松動作采用夾爪氣缸實現(xiàn)。

（四）檢測裝置

檢測到執(zhí)行機構(gòu)的位置信息或物料的信息，按照程序要求，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。有位置傳感器、霍爾開關(guān)、接近開關(guān)、氣缸傳感器、金屬、非金屬檢測傳感器等。

（五）工件

工件可以是多種形式的，可以通過更換配套的檢測裝置實現(xiàn)不同功能。此處我們可以設(shè)計一處有坡度的導(dǎo)軌槽，內(nèi)放金屬球體和非金屬球體。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)夾起工件分揀后，放至導(dǎo)軌槽內(nèi)，工件順坡度滾下，可以實現(xiàn)自動循環(huán)送工件，方便實訓(xùn)裝置動作展示。

三、實訓(xùn)裝置的設(shè)計

（一）氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

氣壓傳動由氣源、氣動執(zhí)行元件、氣動控制閥和氣動輔件組成。氣源由空氣壓縮機提供，經(jīng)分水濾氣器凈化、油霧器改善空氣潤滑性能，消聲器消除噪聲，管子聯(lián)接件傳導(dǎo)等，進入氣動控制閥來調(diào)節(jié)氣流的方向、壓力和流量，把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，用來驅(qū)動工作部件動作。

氣動回路的設(shè)計主要是根據(jù)控制要求，通過選用合適的控制閥、換向閥，來調(diào)節(jié)氣缸的速度，控制氣缸的動作方向。本裝置設(shè)計的氣動回路圖，如圖2所示。

本實訓(xùn)裝置通過在氣缸的進出口回路處設(shè)置單向節(jié)流閥，來調(diào)節(jié)氣缸的運動速度。通過選用兩位五通電磁閥，來控制氣缸的運動方向。通過機械方式，實現(xiàn)氣缸水平限位。實訓(xùn)裝置氣動回路元件見表1。

（二）PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

本實訓(xùn)裝置采用可編程序控制器（PLC）進行控制， 采用原有PLC實訓(xùn)室松下PF0系列可編程序控制器。

通過分析，該裝置的動作主要有水平伸、縮運動；垂直升降（上下）運動、順時針方向及逆時針方向旋轉(zhuǎn)運動，以及末端執(zhí)行裝置的夾緊、放松動作。

1.實訓(xùn)裝置的工作流程

假設(shè)此實訓(xùn)裝置用于分揀場所工作時：

當(dāng)按下實訓(xùn)裝置啟動按鈕之后，實訓(xùn)裝置有如下動作：

初始位→下降至下限位開關(guān)→夾爪抓緊，抓取物品→檢測物品性質(zhì)為非金屬→上升至上限位開關(guān)→逆時針轉(zhuǎn)動90°→伸長至右限位開關(guān)→夾爪松開→延時T→收縮至水平左限位開關(guān)→順時針轉(zhuǎn)動90°→下降至下限位開關(guān)→夾爪抓緊，抓取物品→檢測物品性質(zhì)為金屬→上升至上限位開關(guān)→伸長至水平右限位開關(guān)→夾爪松開→收縮至水平左限位開關(guān)（初始位）。至此，一個工作循環(huán)完畢。

2.輸入輸出（I/0）分配

根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點的數(shù)目，選用松下FP0-C32T的PLC，它有16個輸入點，標(biāo)號分別為X0-XF，16個輸出點，標(biāo)號為Y0-YF。本系統(tǒng)的輸入輸出分配表見表2。

3.程序（略）

四、實訓(xùn)裝置效果圖（如圖3所示）

結(jié)論

本文提出的“面向工廠應(yīng)用的PLC實訓(xùn)裝置”是將工廠車間機電部分實際情況加以還原，來開發(fā)的PLC教學(xué)實訓(xùn)裝置，工業(yè)應(yīng)用場所多，具有代表性。通過該實訓(xùn)裝置的操作、學(xué)習(xí)及實訓(xùn)，機電類學(xué)生可以更好的了解、掌握氣動傳動方式、氣動元件結(jié)構(gòu)、氣動回路設(shè)計等，掌握電氣控制技術(shù)、PLC可編程序控制技術(shù)、編程方法等，實現(xiàn)機電一體化的學(xué)習(xí)，快速適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場工作。

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