基于PLC 的自動運料小車演示裝置

郭瓊

（江蘇省宿城中等專業(yè)學(xué)校，江蘇宿城，223800）

1 問題產(chǎn)生

依據(jù)教育部頒布的中職學(xué)校機電技術(shù)應(yīng)用專業(yè)教學(xué)標(biāo)準，學(xué)生通過《電工技能實訓(xùn)》課的學(xué)習(xí)，要能對常用低壓電器及配電裝置進行安裝與維修，能對電氣控制線路進行安裝。此外，學(xué)生還要掌握《電器與PLC 控制技術(shù)》，能對可編程控制器控制系統(tǒng)進行安裝、調(diào)試、運行和維護。

在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，中職學(xué)生對學(xué)習(xí)缺乏正確認識，對未來也沒有明確的規(guī)劃，在實訓(xùn)學(xué)習(xí)過程中他們?nèi)狈χ鲃有浴⒎e極性，多數(shù)學(xué)生是被動的完成實訓(xùn)項目。另一方面，他們的學(xué)習(xí)理解能力較差，不能完全掌握相應(yīng)的知識，無法正確理解電氣控制線路的工作過程。現(xiàn)將教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的幾個問題總結(jié)如下：

（1）通常實訓(xùn)室不配備電腦，動畫仿真不便于應(yīng)用。雖然借助視頻、動畫演示等可以將電路的工作過程直觀展示出來，如圖1、圖2 所示，將抽象的知識可視化，但是實際教學(xué)過程中需要將理論教學(xué)和實踐教學(xué)分開，教學(xué)效果的提升不明顯。

圖1 異步電動機聯(lián)鎖政法轉(zhuǎn)控制演示動畫

圖2 電動機控制演示動畫

（2）缺乏實物模擬，學(xué)生無法想象控制電路在具體的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用情況。教師課前完成電路，在實訓(xùn)室通電試車進行演示教學(xué)，如圖3、圖4 所示，將抽象的知識實物化，但是學(xué)生無法將電動機的轉(zhuǎn)動與機械的運行聯(lián)系起來。

圖3 教師演示線路的檢測

圖4 教師演示線路的運行

圖5 企業(yè)智能化生產(chǎn)場景1

（3）企業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)向智能型轉(zhuǎn)化，中職生電工技能不能滿足企業(yè)的技術(shù)要求。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，企業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)從機械化向智能化方向發(fā)展，如圖5、圖6 所示。而中職學(xué)生的電工技能基本上還停留在繼電器、接觸器控制階段，不能滿足企業(yè)的技術(shù)要求，會被市場所淘汰。但是對于《電器與PLC 控制技術(shù)》的教學(xué)，學(xué)生普遍反映太難。

圖6 企業(yè)智能化生產(chǎn)場景2

因此，基于PLC 設(shè)計一種自動運料小車演示裝置，要求結(jié)構(gòu)簡單、接排線清晰、控制方便，不僅可以為《電工技能實訓(xùn)》教學(xué)提供演示幫助，還可以為后續(xù)《電器與PLC控制技術(shù)》的教學(xué)打下基礎(chǔ)。

2 設(shè)計過程

2.1 項目描述

設(shè)計一種運料小車，小車運行示意圖如圖7 所示，可完成裝料、卸料、左行、右行等動作。

圖7 運料小車運行示意圖

具體的控制要求如下：

小車在初始位置A 時壓下限位開關(guān)SQ2，按下自動起動按鈕SB1 后，小車在位置A 處裝料10s，向右行駛至位置B 壓下限位開關(guān)SQ3，小車停止，卸料8s；然后向左行駛至位置A 壓下限位開關(guān)SQ2，小車停止，裝料10s；繼續(xù)向左行駛至位置C 壓下限位開關(guān)SQ1，小車停止，卸料8s；接著向右行駛至位置A 壓下限位開關(guān)SQ2，小車停止，裝料10s；重復(fù)上述動作，直到按下停止按鈕SB2 后，小車完成當(dāng)前周期的動作，最后運行至初始位置A,壓下限位開關(guān)SQ2 后，小車停止。

2.2 項目分析

根據(jù)項目的控制要求可以看出，運料小車控制一個周期分為裝料、右行、卸料、左行、裝料、左行、卸料、右行八步，然后重復(fù)運行，直到按下停止按鈕，因此可以采用步進順控法編程。

2.3 元件選擇

根據(jù)項目的控制要求，需要左行右行控制交流接觸器KM1 和左行控制交流接觸器KM2、熱繼電器FR、電機保護的熔斷器FU 等，如圖8 所示，并將選用的器材列表，如表1 所示。

表1 實訓(xùn)器材表

此外，還需要電路安裝板、小車運行軌道的支架和皮帶等。

2.4 項目實施

步驟1：根據(jù)項目的控制要求畫出運料小車控制流程圖，如圖8 所示。

圖8 小車運行控制流程圖

步驟2：通過分析項目的控制要求，需要兩個按鈕，一個用于起動，一個用于停止，還有用于位置控制的行程開關(guān)，所以輸入點需要5 個。輸出控制小車右行和左行，需要2 個輸出點，裝料和卸料電磁閥需要2 個輸出點，所以，需要4 個輸出點，具體的I/O 分配見表2。

表2 I/O分配表

行程開關(guān)SQ1 X001 左行接觸器KM2 Y001行程開關(guān)SQ2 X002 裝料電磁閥YV1 Y002行程開關(guān)SQ3 X003 卸料電磁閥YV2 Y003停止按鈕SB2 X004

步驟3：畫出運料小車控制電路的主電路圖如圖9 所示。

根據(jù)I/O 分配表，畫出運料小車控制電路的外部接線圖，如圖10 所示。

圖9 主回路電路圖

圖10 控制回路電路圖

在運料小車自動運行演示裝置的控制系統(tǒng)中，主要由右行交流接觸器KM1、左行交流接觸器KM2，起動按鈕SB1，停止按鈕SB2，限位開關(guān)SQ1、SQ2 等構(gòu)成。

在正轉(zhuǎn)交流接觸器和反轉(zhuǎn)交流接觸器同時動作時，可能會引起電源短路、機械部件損壞，為了保證控制系統(tǒng)工作可靠性和安全性，在控制系統(tǒng)中，通過交流接觸器觸點進行電氣“互鎖”，互鎖環(huán)節(jié)具有禁止功能，在線路中起安全保護作用。

實現(xiàn)互鎖的具體做法：將右行控制接觸器KM1 線圈回路串入KM2 的常閉輔助觸點，將左行控制接觸器KM2 線圈回路串入KM1 的常閉觸點。當(dāng)右行控制接觸器KM1 線圈通電動作后，KM1 的輔助常閉觸點會斷開左行控制接觸器KM2 線圈回路，若使右行控制接觸器KM1 得電吸合，必須先使左行控制接觸器KM2 斷電釋放，其輔助常閉觸頭復(fù)位，這就防止了右行控制接觸器KM1、左行控制接觸器KM2 同時吸合造成相間短路，這一線路環(huán)節(jié)稱為互鎖環(huán)節(jié)。

步驟4：根據(jù)外部接線圖，完成電路的安裝、接線。

小車運行軌道長80cm，為了把電動機的控制電路和小車運行軌道安裝在一起，所以選擇100cm×80cm 的木板。裝好元件后發(fā)現(xiàn)板較重，搬運不方便，所以將整個電路分成兩塊，如圖11、圖12 所示。

圖11 一個大板

圖12 兩個小板

步驟5：根據(jù)運料小車控制流程圖畫出對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖13 所示。

圖13 小車運行控制流程圖

步驟6：畫出運料小車狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖對應(yīng)的步進梯形圖，如圖14 所示。

步驟7：寫出運料小車步進梯形圖對應(yīng)的指令表，見表3。

表3 指令表

14 OUT T0 K100 41 OUT Y002 67 OUT S0 17 LD T0 42 OUT T2 K100 69 LD X002 18 SET S21 45 LD T2 70 ANI M0 20 STL S21 46 SET S25 71 OUT S20 21 LDI Y001 48 STL S25 73 RET 22 OUT Y000 49 LDI Y000 74 END 23 LD X003 50 OUT Y001

步驟8：檢查外部電路接線，確認無誤后通電，啟動編程軟件GX Developer，進行程序調(diào)試。

圖14 車運行控制梯形圖

2.5 演示過程

運料小車自動往返運行演示裝置的演示過程如下：

（1）當(dāng)小車停在位置A（行程開關(guān)SQ2 被壓合）時，按下起動按鈕SB1，裝料電磁閥YV1 得電，小車在位置A處裝料10s。

（2）裝料結(jié)束后，右行接觸器KM1 線圈得電，小車向右行駛至位置B，碰到行程開關(guān)SQ3 小車停止，卸料電磁閥YV2 得電，小車在位置B 處卸料8s。

（3）卸料結(jié)束后，左行接觸器KM2 線圈得電，小車向左行駛至位置A ，碰到行程開關(guān)SQ2 小車停止，裝料電磁閥YV1 得電，小車在位置A 處裝料10s。

（4）裝料結(jié)束后，左行接觸器KM2 線圈得電，小車繼續(xù)左行，行駛至位置C，碰到行程開關(guān)SQ1 小車停止，卸料電磁閥YV2 得電，小車在位置C 處卸料8s。

（5）卸料結(jié)束后，右行接觸器KM1 線圈得電，小車向右行駛至位置A，碰到行程開關(guān)SQ2 小車停止，裝料電磁閥YV1 得電，小車在位置A 處裝料，重復(fù)前面的過程。

（6）按下停止按鈕SB2，小車完成當(dāng)前周期的動作，運行至初始位置A 處，壓下行程開關(guān)SQ2，小車停止。

該演示過程能夠?qū)崿F(xiàn)自動運料小車演示裝置的控制要求。

3 創(chuàng)新點

（1）在《電工技能實訓(xùn)》教學(xué)中，用運料小車演示裝置將三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制項目的工作過程展示出來，將抽象的工作原理實物化、可視化，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在一定程度上提高了實訓(xùn)課的教學(xué)效率。

（2）在《電工技能實訓(xùn)》教學(xué)中滲透《電器與PLC 控制技術(shù)》的相關(guān)知識，可以讓學(xué)生提前了解PLC 的一些知識，為后續(xù)《電器與PLC 控制技術(shù)》的教學(xué)打下基礎(chǔ)；同時基于PLC 技術(shù)進行設(shè)計，可以使電路具有控制精度高、可靠性和維護性好的優(yōu)點。

4 結(jié)論與展望

在《電工技能實訓(xùn)》教學(xué)中借助本演示裝置，能夠讓學(xué)生實實在在的看到到電路的運行過程，提高并加快學(xué)生對控制線路工作原理的理解；同時，學(xué)生覺得這個挺好玩，是一種可以自己動手完成的玩具，愿意主動去嘗試、學(xué)習(xí)相關(guān)知識，使學(xué)生更深刻記憶并理解教學(xué)內(nèi)容。

運料小車自動往返運行演示裝置因其結(jié)構(gòu)簡單、接線方便，可以根據(jù)需要修改電路，達到不同的控制效果，對不同的控制線路工作原理進行演示。