PLC綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何軍虎 吳斌 雷晶 湖北商貿(mào)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心

引言

隨著《中國制造2025》制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，各高校紛紛圍繞著“五大工程”“十大領(lǐng)域”展開教學(xué)研究。“PLC技術(shù)與應(yīng)用”課程是電氣工程、機(jī)電一體化、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門實(shí)踐性強(qiáng)的專業(yè)課程，是培養(yǎng)智能制造應(yīng)用創(chuàng)新型人才的重要支撐。其教學(xué)目標(biāo)是通過實(shí)踐訓(xùn)練使學(xué)生熟練掌握可編程控制器（Programmable Logic Controller簡稱PLC）的應(yīng)用，提高工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

用仿真軟件可以作為該課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，但效果不理想，沒有實(shí)踐操作經(jīng)歷和體驗(yàn)，難以滿足專業(yè)能力的培養(yǎng)和提高。為此，非常有必要設(shè)計(jì)一套緊密聯(lián)系教學(xué)大綱，集認(rèn)識(shí)、應(yīng)用、組裝、調(diào)試、設(shè)計(jì)為一體貼近工程實(shí)踐的實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置，幫助學(xué)生更好的掌握和運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)。

1.2 系統(tǒng)組成

常用電氣控制系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、邏輯控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。輸入設(shè)備用于采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸送到系統(tǒng)，比如開關(guān)按鈕，信號(hào)傳感器等裝置。另外，觸摸屏及組態(tài)技術(shù)能夠?yàn)閺?fù)雜控制系統(tǒng)提供友好的人機(jī)交互界面；邏輯控制單元主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理，處理完成后的控制信號(hào)用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),該功能可通過傳統(tǒng)繼電控制線路或PLC編程均能實(shí)現(xiàn)，但PLC編程更靈活，可靠性更高，工程應(yīng)用更廣泛。執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，常用的有接觸器、變頻器、電磁閥、伺服控制器等。變頻器具有優(yōu)異的調(diào)速和起動(dòng)性能，傳動(dòng)效率高、功率因數(shù)高、節(jié)電效果明顯等優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

如圖1所示，該裝置主要由信號(hào)輸入部分（開關(guān)按鈕、信號(hào)傳感器）、控制部分（PLC、繼電接觸器系統(tǒng)）、執(zhí)行部分（變頻器、接觸器）控制對(duì)象（三相交流異步電動(dòng)機(jī)、指示燈）、電源與漏電保護(hù)、編程PC和觸摸屏組成。

1.3 裝置結(jié)構(gòu)

實(shí)訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用上下分層的布局。上支撐板①上設(shè)有②觸摸屏、③傳感器、④指示燈、⑤模式轉(zhuǎn)換開關(guān)、⑥控制開關(guān)和⑦急停開關(guān)；⑧下底板上設(shè)有⑨變頻器、⑩輔助電源、PLC控制器組件、漏電保護(hù)型斷路器、接觸器、熱繼電器和⒂接線端子。

上支撐板選用透明的有機(jī)玻璃板，具有較好的絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度，元器件之間連接的導(dǎo)線采用繞線管固定。下底板選用絕緣性能良好的電木材料，除變頻器外所有元器件采用DIN方式安裝，導(dǎo)線采用PVC線槽固定。上支撐板和下底板之間用四根螺栓連接，且上下板連接導(dǎo)線沿螺栓用繞線管固定。線路安裝時(shí)，拆下螺母即可將上支撐板沿著下底板出線側(cè)翻轉(zhuǎn)過來。該結(jié)構(gòu)一方面便于組裝、測(cè)試，另一方面設(shè)備通電時(shí)，能夠?qū)щ娫骷綦x開來。所有元器件廠商選擇國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)品牌，確保產(chǎn)品質(zhì)量可靠耐用，并且功能上滿足教學(xué)要求，售后完善。主要器件清單，見表1。

表1 主要元器件清單

PLC控制器選用三菱公司生產(chǎn)的FX2n系列模塊。該控制器擴(kuò)展設(shè)備豐富，指令功能強(qiáng)大，可以擴(kuò)展溫度傳感器輸入、脈沖輸出、高速計(jì)數(shù)、RS-485/232通信等模塊，具有平方根運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、PID運(yùn)算等復(fù)雜控制指令。變頻器選用ABB公司生產(chǎn)的ACS51型產(chǎn)品，該變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）、三電平技術(shù)，具有運(yùn)行可靠，效率高等特點(diǎn)，主要用于三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的控制。電動(dòng)機(jī)選用使用廣泛的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，同時(shí)也可以通過接線端子更換為步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等其他控制對(duì)象。系統(tǒng)電源采用“雙電源”供電。將220V和380V分開管理，220VAC用于PLC和傳感器等輔助供電，給學(xué)生提供靜態(tài)調(diào)用電。380VAC用于主電路調(diào)試用電，電源由老師管理。當(dāng)學(xué)生靜態(tài)調(diào)試無誤，經(jīng)老師檢查同意后才能通電調(diào)試主電路。

1.4 裝置的特點(diǎn)

（一）實(shí)踐性強(qiáng)。學(xué)生通過各種元件的認(rèn)識(shí)、組裝、編程和調(diào)試的過程中提高自身的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。從學(xué)習(xí)電機(jī)的控制原理到各種控制電路的連接，從PLC軟件編程、組態(tài)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)整體調(diào)試，學(xué)生通過訓(xùn)練可以掌握常用低壓電氣控制電路的工作原理和設(shè)計(jì)過程，更好的將理論知識(shí)運(yùn)用于工程實(shí)踐，因此具有較好的實(shí)踐性。

（二）擴(kuò)展及兼容性好。該裝置的下底板采用DIN導(dǎo)軌安裝元器件，可根據(jù)教學(xué)需要增減電氣元件、執(zhí)行部件和其他功能模塊，也可以和其他實(shí)驗(yàn)裝置聯(lián)機(jī)使用，因此具有較好的擴(kuò)展性兼容性。

（三）創(chuàng)新條件優(yōu)越。學(xué)生可在實(shí)訓(xùn)裝置上完成各種PLC 典型應(yīng)用的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，通過訓(xùn)練不斷提高PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試水平。

（四）安全防護(hù)齊全。該裝置電源模塊采用漏電保護(hù)功能的斷路器，電動(dòng)機(jī)采用接地保護(hù)，結(jié)構(gòu)部分大量采用絕緣材料。同時(shí)上下分離的結(jié)構(gòu)，使得學(xué)生在上層操作時(shí)碰到下層電氣元件的概率降低，進(jìn)而降低觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此，用電安全以及防護(hù)較好。

2 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及項(xiàng)目案例

2.1 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包含基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)四個(gè)部分。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是包括PLC系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和系統(tǒng)設(shè)定；熟練掌握編程軟件的操作方法；完成指令系統(tǒng)的訓(xùn)練，熟練掌握各條指令的性能特點(diǎn)。綜合實(shí)驗(yàn)包括熟練掌握各條指令的應(yīng)用，能夠運(yùn)用這些指令進(jìn)行簡單的開關(guān)量控制程序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)包括利用PLC對(duì)較復(fù)雜的工業(yè)過程進(jìn)行控制；掌握模擬量模塊的軟件設(shè)定，以及模擬量控制程序設(shè)計(jì)。擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)包括變頻器的使用與參數(shù)設(shè)定；觸摸屏的使用以及組態(tài)的設(shè)計(jì)；由PLC、變頻器和觸摸屏組成更為復(fù)雜的創(chuàng)新型項(xiàng)目式綜合設(shè)計(jì)。下面以“電動(dòng)機(jī)循環(huán)正反轉(zhuǎn)的PLC控制實(shí)訓(xùn)”為例，介紹其在“PLC技術(shù)應(yīng)用”實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.2 實(shí)訓(xùn)案例

電動(dòng)機(jī)循環(huán)正反轉(zhuǎn)的PLC控制實(shí)訓(xùn)為綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谝髮W(xué)生熟悉PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐過程，提高實(shí)踐水平以及分析處理故障的能力。具體完成以下實(shí)驗(yàn)步驟：①根據(jù)控制要求，完成I/O分配，見表2所示。②參照電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)主電路圖連接線路，作出PLC控制系統(tǒng)接線圖，見圖3所示。③梯形圖程序設(shè)計(jì)，見圖4所示。④系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試和主電路調(diào)試，直到各功能運(yùn)行正常。

表2 I/O分配表

3 總結(jié)

根據(jù)《PLC技術(shù)與應(yīng)用》課程的教學(xué)大綱設(shè)計(jì)的PLC綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置，它具有實(shí)踐性強(qiáng)、兼容性好、創(chuàng)新條件優(yōu)越、安全防護(hù)齊全等特點(diǎn)。將典型的智能制造工程中用到的PLC應(yīng)用技術(shù)、傳感器技術(shù)以及變頻器技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，更好的解決應(yīng)用型本科院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)訓(xùn)需求，為提高學(xué)生的工程實(shí)踐水平以及創(chuàng)新能力提供新的途徑。