淺談工業(yè)自動(dòng)化培訓(xùn)裝置的研制

陳菡菡，許志敏

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，福建 莆田 351119）

2019年1 月，國務(wù)院印發(fā)《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》探索實(shí)施1+X證書制度。“1+X”證書，即“1”為學(xué)歷證書，“X”為若干職業(yè)技能等級(jí)證書，鼓勵(lì)學(xué)生在獲得學(xué)歷證書的同時(shí)，積極取得多種職業(yè)技能等級(jí)證書。2020年年初，新冠疫情對(duì)我國傳統(tǒng)的制造業(yè)帶來巨大沖擊，這促使大量的傳統(tǒng)制造企業(yè)加快產(chǎn)業(yè)智能化、工業(yè)自動(dòng)化轉(zhuǎn)型，推進(jìn)少人化和柔性生產(chǎn)，聘用更多高技能和多技能的工人。而在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中以各種參數(shù)為控制目的，實(shí)現(xiàn)各種過程控制，盡量減少人力的操作，而充分利用動(dòng)物以外的能源與各種資訊來進(jìn)行生產(chǎn)工作的過程稱為工業(yè)自動(dòng)化，因此，培養(yǎng)工業(yè)自動(dòng)化復(fù)合型技術(shù)人才已成為職業(yè)院校培養(yǎng)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

針對(duì)以上情況，非常有必要研制一臺(tái)工業(yè)自動(dòng)化培訓(xùn)裝置，使學(xué)生在校期間就能夠接觸到工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，學(xué)習(xí)和掌握工業(yè)現(xiàn)場常用的技術(shù)環(huán)節(jié)，掌握常見工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)要點(diǎn)、使用要點(diǎn)，從而快速提高受訓(xùn)人員的職業(yè)技能。研制該裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以自由搭配和擴(kuò)展，可以滿足多職業(yè)多工種人才培養(yǎng)的需求。

1 總體設(shè)計(jì)

工業(yè)自動(dòng)化培訓(xùn)裝置采用新型雙面斜對(duì)稱、開式面包板設(shè)計(jì)，如圖1所示。斜立式面包底板上面分別有一個(gè)公共模塊功能區(qū)，位于面板下方，所有電氣元件固定安裝；面板上方平行排列3個(gè)功能模塊區(qū)域，采用掛件式設(shè)計(jì)，用于懸掛功能掛板；工作臺(tái)桌面上有2個(gè)負(fù)載模塊安裝區(qū)域，用于放置電機(jī)、十字滑臺(tái)等較重，需要穩(wěn)定性較好的功能模塊。實(shí)訓(xùn)臺(tái)下方的抽屜可以放置其他備用的功能模塊及工具材料等，便于使用者能夠靈活地根據(jù)實(shí)訓(xùn)任務(wù)進(jìn)行配套安裝連線。本裝置輸入、輸出連線采用端子排設(shè)計(jì)，所有接線、走線均接近工業(yè)現(xiàn)場。

圖1 工業(yè)自動(dòng)化裝置整體設(shè)計(jì)圖

2 功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

工業(yè)自動(dòng)化培訓(xùn)裝置主要由公共模塊區(qū)域和功能模塊區(qū)域兩個(gè)部分組成。

2.1 公共模塊區(qū)域

用于大部分實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目都要用到的功能，包含電源模塊、PLC模塊、主令按鈕模塊和指示燈模塊。

電源模塊由塑殼漏電斷路器、熔斷器、開關(guān)電源組成。三相220V電源輸入通過漏電斷路器輸出R、S、T外接至端子臺(tái)上，斷路器輸出R、T兩相經(jīng)過兩個(gè)10A熔斷器給開關(guān)電源供電，開關(guān)電源輸出24V經(jīng)1個(gè)2A熔斷器外接到端子臺(tái)上。電源模塊上加裝有透明亞克力開關(guān)門式防護(hù)板，進(jìn)出線纜位置有半封閉式的鈑金罩，有效地排除了電路安全隱患、不良環(huán)境的影響，防止人為對(duì)強(qiáng)電部分的接觸可能，極大地提高了設(shè)備的安全系數(shù)。

PLC模塊。選用日本三菱PLC FX3U-32MR主機(jī)，集成數(shù)字量I/O（16路數(shù)字輸入，16路數(shù)字量輸出），擴(kuò)展模塊為FX2N-16EX，配有FX1N-485BD通訊模塊，F(xiàn)X0N-3A模擬量模塊（2路輸入，1路輸出），SC-09通訊編程電纜。為了避免實(shí)訓(xùn)過程反復(fù)接線而造成的接線端子的損壞，PLC的I/O接口引入導(dǎo)軌式接線端子上，學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)，接線只需在接線端子上完成即可。

主令按鈕模塊和指示燈模塊。含有啟動(dòng)、停止、急停、組合按鈕、2個(gè)2段選擇旋鈕、1個(gè)3段選擇旋鈕、3個(gè)狀態(tài)指示燈和1個(gè)蜂鳴器。在設(shè)計(jì)中采用開關(guān)盒形式固定安裝在面板下方，開關(guān)及狀態(tài)燈所有輸入、輸出均外接至端子排上。

2.2 功能模塊區(qū)域

根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了7個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)如下：

（1）基礎(chǔ)電工模塊。該模塊設(shè)計(jì)成網(wǎng)孔板掛件式，在網(wǎng)孔板上可學(xué)會(huì)電氣控制系統(tǒng)中各元器件的布局規(guī)劃、安裝、調(diào)試技能，接近工業(yè)現(xiàn)場。電氣器元件配有4個(gè)交流接觸器、2個(gè)熱繼電器、3個(gè)220V中間繼電器、3個(gè)220V通電延時(shí)時(shí)間繼電器、2個(gè)24V計(jì)數(shù)器及2個(gè)2A熔斷器、接線端子排、卡鋁軌及走線槽，課任老師可根據(jù)課程的需要自由增減低壓元器件來完成相應(yīng)的實(shí)習(xí)項(xiàng)目。

（2）電機(jī)模塊。含1臺(tái)三相異步電機(jī)、1臺(tái)直流電機(jī)、接線端子排及走線槽等，電機(jī)軸上罩著透明的壓克力安全防護(hù)罩。安裝位置在實(shí)訓(xùn)臺(tái)的臺(tái)面上面水平放置。

（3）往返運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)模塊。含1臺(tái)單相220V齒輪減速電機(jī)附剎車制動(dòng)、1套單軸滑臺(tái)（鏈條式），行程260mm、2個(gè)正負(fù)限位感應(yīng)開關(guān)、2個(gè)接近開關(guān)、4個(gè)220V中間繼電器模塊、2個(gè)2A熔斷器、接線端子排及走線槽。

（4）氣動(dòng)模塊。由2個(gè)直線氣缸（內(nèi)徑16mm×行程75mm）附磁簧開關(guān)及節(jié)流閥、2個(gè)24V極限開關(guān)、2個(gè)24V接近開關(guān)、2個(gè)24V電磁閥及匯流排、接線端子排及走線槽。

（5）觸摸屏模塊。觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話界面，即可對(duì)使用設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，還可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡單控制，故在工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用，本裝置選用工業(yè)現(xiàn)場的產(chǎn)品人機(jī)界面，采用7英寸MCGS，直流24V的彩色觸摸屏，觸摸屏帶有兩種通訊口，第一個(gè)為RS232通訊口，第二個(gè)為RS485通訊口，配有通信下載編程電纜，還配置了觸摸組態(tài)軟件。

（6）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能模塊。配有1臺(tái)變頻器、1臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器、1臺(tái)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)線端子臺(tái)、接線端子及走線槽。

（7）十字滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模塊：含1臺(tái)伺服電機(jī)、1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、2個(gè)接近開關(guān)、1套十字滑臺(tái)，電機(jī)電源及傳感信號(hào)全部外接至接線端子上。安裝位置在實(shí)訓(xùn)臺(tái)的臺(tái)面上面平行放置。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與設(shè)置

上述7個(gè)功能模塊可以自由地組合，根據(jù)不同的組合設(shè)計(jì)與設(shè)置工業(yè)自動(dòng)化培訓(xùn)與考核項(xiàng)目，具體如下：

功能模塊1+2+3的組合，能夠完成基本電工控制電路實(shí)訓(xùn)。既有常見三相異步電機(jī)啟動(dòng)停止、正反轉(zhuǎn)控制、三相異步電機(jī)啟動(dòng)停止加燈號(hào)、蜂鳴器控制機(jī)及三相電動(dòng)機(jī)Y-△降壓啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制等；又有實(shí)用自動(dòng)門、卷簾門電路控制、自動(dòng)抽水電路控制等。

功能模塊2+3+4+5的組合，能夠完成常見工業(yè)自動(dòng)控制電路實(shí)訓(xùn)。如PLC控制三相異步電機(jī)啟停、PLC控制三相異步電機(jī)Y-△降壓啟動(dòng)、正反裝控制及PLC控制直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停止直流電動(dòng)機(jī)、帶煞車正反轉(zhuǎn)；二缸+極限開關(guān)+磁簧開關(guān)順序控制；二缸+磁簧開關(guān)+直流電動(dòng)機(jī)控制；二缸+直流+單向交流+三相交流電動(dòng)機(jī)控制；液位模擬+單相+三相交替控制；自動(dòng)門控制等。

功能模塊2+3+4+5+6+7+8的組合，能夠完成常見工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)控制任務(wù)。現(xiàn)代工業(yè)中越來越多應(yīng)用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)，其中步進(jìn)電機(jī)控制、伺服電機(jī)控制、變頻器控制占據(jù)最大的應(yīng)用比重，其中包含的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目任務(wù)如PLC控制步進(jìn)電機(jī)/伺服電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)控制；十字滑臺(tái)定位、回零、調(diào)速控制；變頻器+三相異步電機(jī)+PLC自動(dòng)調(diào)頻電路控制；PLC+人機(jī)界面（HMI）控制系統(tǒng)電氣控制等。

4 結(jié)語

本文介紹了工業(yè)自動(dòng)化培訓(xùn)裝置采用面包板式樣的底板和功能掛箱結(jié)構(gòu)，搭配靈活，便于教師組織各種實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目及擴(kuò)展新的實(shí)訓(xùn)功能，同時(shí)，雙面雙工位設(shè)計(jì)最大限度的提高實(shí)訓(xùn)臺(tái)設(shè)備的利用率和減少占地面積。從使用效能分析，一套培訓(xùn)設(shè)備能夠滿足兩組學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)100m2實(shí)驗(yàn)室能夠放置20～25臺(tái)培訓(xùn)臺(tái)，能夠同時(shí)滿足40～50組學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手操作任務(wù)，充分滿足培訓(xùn)學(xué)生的使用需求，同時(shí)配套其他的軟硬件資料能夠滿足維修電工、電機(jī)拖動(dòng)、PLC技術(shù)及變頻器技術(shù)等多門工業(yè)自動(dòng)化相關(guān)課程的教學(xué)工作，大大提高了設(shè)備的使用效率。同時(shí)一機(jī)多用也可以滿足職業(yè)院校“1+X”證書多工種多技能人才培養(yǎng)要求，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與企業(yè)需求“零距離”接軌。