基于PLC的電氣自動化綜合實訓裝置開發與實踐

摘 ?要：文章對當前自動化綜合實訓裝置開發情況進行了研究，報告了開發和實踐的現狀和技術背景。開發以學生職業核心能力培養為導向，設計了采用分離開放模式，滿足控制電機應用技術、PLC應用技術、變頻器應用技術、伺服驅動應用技術、人機界面與網絡控制技術、電氣自動化系統集成等課程的實訓裝置很有必要。裝置接近工業現場，有利于學生的動手能力和操作技能培養，同時由于不需要對控制機構端子進行頻繁拆裝，減少了控制機構的故障率，降低了實訓裝置的維護成本。

關鍵詞：實訓裝置;電氣自動化技術;綜合實訓

中圖分類號：TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0057-06

Abstract： The paper studies the current development of automation comprehensive training device， and reports the current situation and technical background of development and practice. It is necessary to develop a training device guided by the cultivation of students， ?professional core competence and designed with a separate and open mode to meet the courses of control motor application technology， PLC application technology， frequency converter application technology， servo drive application technology， man-machine interface and network control technology， electrical automation system integration and so on. The device is close to the industrial site， which is conducive to the cultivation of students， ?practical ability and operation skills. At the same time， for there is no need to disassemble and assemble the terminals of the control mechanism frequently， the failure rate of the control mechanism is reduced and the maintenance cost of the training device is reduced.

Keywords： training device; electrical automation technology; comprehensive training

0 ?引 ?言

實踐教學是培養滿足高素質技術技能人才的主要環節，是學生培養學生動手能力、實踐能力的主要途徑[1，2]。

目前，高職院校現有實訓裝置來源主要有兩種。第一種是從教儀企業直接購買。教儀企業自身對滿足實訓需要的片面理解和標準化生產，很多單功能實訓設備中，大部分傳感器輸入信號都用按鈕代替，大部分輸出給執行器件的信號都用指示燈代替，不能進行復雜的自動化動作，而且一般結構固定，選用的電器類型固定、接線固定，不允許學生隨意拆卸或組合，學生在實訓時不能真正動手操作，影響學生實際動手能力的提高。綜合實訓裝置，通常是根據某一自動控制系統，在滿足基本教學要求下進行了簡化、替代。由于設備的針對性強，所用電器類型有限，執行機構單一，控制方式固定，沒有涉及更寬泛的技術如觸摸屏技術、變頻調速技術、運動控制，氣動控制技術以及聯網組態監控技術等.不能幫助學生全面了解當前市場的主流技術的綜合應用。第二種是專員根據實訓內容對實訓裝置技術、性能要求，校企共同研發。伍波、馬忠麗等探討了實訓裝置、實驗箱的研制與開發，提出了結合專業自身特點，聯合企業共同設計，滿足職業崗位能力需求的知識點、技能點和能力點的實訓裝置[3，4]，為我們實訓裝置研制提供了思路。

經反復調研，我們選取一個典型的、綜合專業核心能力的智能洗車機系統作為自動化綜合實訓裝置，改實訓裝置采用分離式設計，電氣安裝板與控制機構通過端子連接，學生在進行電氣安裝時不需要頻繁拆裝控制機構端子，提高了控制機構的使用壽命，降低了實訓裝置的維護成本。圍繞此系統，構建以職業核心能力培養為主線，按職業活動從方案選擇、電氣系統設計、電氣圖紙繪制、器件的選型和參數計算、電氣系統安裝、控制程序設計、系統調試步，編寫設備調試指導書，操作手冊、維護說明書全過程。設計從易到難，前后貫通原則，融入貫穿式實訓項目，每次實訓的成果都是下次實訓的基礎和知識準備，所有實訓課程的結束，此系統中的所有問題都得以解決。從實訓課程開始到實訓課程結束，學生自始至終都明白學習的目的，知識、技能前后之間的關系和邏輯，學生做完所有實訓就完成了一個完整的系統。貫穿式實訓完全以學生為主體，注重學生實踐內容連貫統一，較好地解決了實訓內容欠缺關聯，實訓體系缺乏系統化、層次化、遞進式的培養體系的問題 ，極大地增強了學生的實踐能力、系統集成能力，激發了學生主動學習的熱情，對培養學生的創新意識、團隊協作精神和解決實際問題的能力起到了良好的作用，體現了“學以致用”的教育精髓[5，6]。

1 ?實訓裝置設計

本校電氣自動化技術專業中開設了控制電機應用技術、PLC應用技術、變頻器應用技術、伺服驅動應用技術、人機界面與網絡控制技術、自動化系統集成等課程。這些課程都需要實訓操作，才能使學生獲取工程經驗，取得良好的教學效果。實訓平臺要能滿足這些自動化專業核心課程實訓要求，電氣設計、方案配置、系統安裝調試、運行維護、技術創新到工程管理能力貫穿培養全過程，從而實現職業能力的滲透式培養。實訓裝置要滿足學生從簡單到復雜，從單一功能到綜合功能實訓項目設計[7]。實訓裝置注重學生實踐項目連貫統一，解決課程間實訓內容欠缺關聯，實訓項目缺乏系統化、層次化、遞進式的問題，增強了學生的實踐能力、工程能力，激發了學生主動學習的熱情，對培養學生的創新意識、團隊協作精神和解決實際問題的能力起到了良好的作用，體現了“學以致用”的教育精髓。實訓裝置要涉及自動化控制系統中常用的伺服電機、步進電機、變頻電機、三相異步電機、單相電機、傳感器等專業知識，本文結合專業實際設計了一套洗車機實訓裝置作為自動化綜合實訓裝置。

實訓裝置由底座、上端的支架構成。底座部分安裝有電氣控制模塊，如斷路器、直流繼電器、交流接觸器，中間繼電器、開關電源、PLC、變頻器、伺服驅動器、步進驅動器、端子排等。電氣控制模塊采用分離開放模式，方便學生進行安裝調試。上端的支架安裝有控制電機、同步輪等機械結構，機械結構如圖1所示。

2 ?實訓裝置電氣設計

2.1 ?系統電氣圖

根據控制電機應用技術、PLC應用技術、變頻器應用技術、伺服驅動應用技術、人機界面與網絡控制技術等課程的要求，搭建了實訓裝置的電氣控制系統，以三菱FX5U-80MT為主模塊搭載2塊擴展模塊構成控制器，控制6臺電機，觸摸屏作為PLC上位機。其中，洗車機噴淋機構是一個三軸運動控制機構，Y軸由伺服電機控制、X軸由步進電機控制、R軸由步進電機控制。風干系統通過變頻器控制三相異步電機，小車輸送系統由三相異步電機控制，噴淋系統由三相異步電機控制，每個控制對象可以獨立工作，通過端子排連接到控制器。多臺實訓裝置通過以太網連接并設置一個主控PLC，可以進行CC-LINK網絡控制各臺實訓裝置，并監控各設備的運行狀態。圖2、圖3為實訓裝置的電氣系統圖。

2.2 ?I/O分配

分析控制要求，系統需要24個輸入點，25個輸出點，具體分配如表1所示。其中主PLC模塊控制3個三相異步電機，擴展輸出模塊控制2個步進電機和伺服電機。小車位置由3個激光測距傳感器進行測算，以便洗車機運行時調整Y/X/R軸的位置。

3 ?PLC 程序設計

3.1 ?洗車機動作工作流程

智能洗車機上電，檢查傳感器狀態，輸送托盤檢測是否有小車，如有輸送托盤運送小車到達洗車工作點，開始洗車，首先X軸步進電機運行計算距離（此距離由超聲波測算得出）后停止，Y軸伺服電機帶動R軸噴淋系統清洗車身左側運行至車尾（車尾位置由頂部傳感器進行檢測），R軸旋轉90°，X軸步進電機帶動噴淋系統清洗車尾（汽車寬度由超聲波測算出），清洗完車尾，R軸旋轉90°，由Y軸伺服電機帶動R軸噴淋系統清洗車身右側運行至車前，R軸旋轉90°，X軸步進電機帶動噴淋系統清洗車前，至此第一次清洗完成。而后可以根據需要進行清水清洗和泡沫清洗選擇多種方式重復此前操作。動作流程如圖4所示。

3.2 ?PLC 程序設計

分析洗車機控制的要求，洗車機的運行適合采用了順序控制程序設計法編程洗車機的部分程序如圖5、圖6所示。但是在程序編寫的過程，還要考慮的問題有以下幾點：

（1）如何通過3個測距傳感器測算出小車狀態。

（2）Y/X/R軸的運動控制。

4 ?觸摸屏監控系統設計

觸摸屏監控監控系統采用三菱的GS系列觸摸屏，如圖7所示。設計有自動畫面、手動畫面、參數設計畫面，通訊監控畫面、報警畫面。整個監控畫面能實時顯示洗車機設備現場工作狀態、電機狀態、傳感器狀態，能方便地進行個電機的監控畫面的切換。可以通過界面進行洗車機設備進行控制和參數設置。

5 ?結 ?論

該裝置是一套模擬洗車系統的實踐教學設備，采用了市場上主流觸摸屏和PLC控制，便于學生與企業應用對接，提高學生的適應能力。它涵蓋了電氣自動化技術專業學習所涉及的核心課程的知識及技能。自動化類專業學生可以利用該裝置進行課程設計、畢業設計。采用“典型性、可操作性”能力漸進式架構。子系統包含的知識、技能與專業核心技能有清晰的對應關系，通過裝置中技術難點的不斷解決實現個人技能的不斷提升。

實踐證明，本綜合實訓裝置功能完備，使用靈活方便、針對性強，立足專業特點、面向工程實際，具有很高的創新性和實用性，為專業綜合實踐提供了有力支撐，而且改實訓裝置有效融入了高職現代電氣控制系統安裝與調試技能競賽的全部功能，為學生科技創新、技能競賽提供了實訓場地，而且多套實訓裝置通過CC-LINK進行聯網，可以進行網絡通信方面實訓。

通過與企業合作開發的此實訓裝置，不但把市場上主流技術引入課堂，在對學生進行全面、系統工程實踐訓練，培養學生解決復雜工程問題能力的同時，還鍛煉了教師的科研能力。通過解決教學與工程中的一些實際問題，讓教師能夠理論聯系實際，提高專業水平的機會，提升產教科融合水平，為培養具有創新能力的應用型人才奠定基礎。

參考文獻：

[1] 雷翔霄，唐春霞，徐立娟.項目貫穿式實踐教學體系改革與實踐——以高職電氣自動化技術專業為例 [J].實驗技術與管理，2021，38（2）：228-232.

[2] 曹錦江，陳桂，黃家才.智能制造背景下自動化類專業綜合實踐平臺的設計與實踐[J].實驗技術與管理，2021，38（3）：278-282.

[3] 毛佑南，吳萍.自動控制模塊化實訓裝置的研制與應用 [J].硅谷，2010（24）：110+115.

[4] 李樹雄，呂玉明.自動控制模塊化實訓裝置的研制與應用 [J].中國職業技術教育，2008（15）：57-59.

[5] 程麗平，李保銀.以培養技能型自動化人才為導向的實訓室建設與實踐 [J].中國電力教育，2011（26）：139-140.

[6] 鄒心遙.創新能力導向的高職理實一體化實訓室建設 [J].實驗室研究與探索，2017，36（4）：225-228.

[7] 王宏彥.高職電氣自動化專業綜合實訓課程建設探索 [J].現代信息科技，2019，3（24）：171-172.

作者簡介：王宏彥（1978—），男，漢族，湖北潛江人，碩士研究生，副教授，研究方向：計算機控制技術，工業系統控制等。