非封裝式教學用PLC實驗箱的設計與開發*

焦崢輝 ， 黃 鑫 ， 朱航科

（陜西工業職業技術學院機械工程學院，陜西 咸陽 712000）

0 引言

PLC應用技術作為一門實踐性較強的課程，在學習的過程中必須進行實踐訓練才能熟練掌握。目前，市場上的PLC實訓裝置種類較多，基本上可以分為兩種類型，一種是柜式實驗臺，由上、下兩部分組成，下部為柜體放置耗材或者待更換的模塊，上部為鋁合金掛板，實訓時將需要的模塊或元件安裝在掛板上。此種設備功能強大、綜合性強，體積較大、設備費用高、移動不方便，學校在購買時臺數受到限制，學生上課時每臺設備分配的學生較多。為了降低故障率、提高設備的使用壽命及訓練者操作的方便性，基本上都采用了插孔式的接線方式，輸入端的外圍設備和輸出端的控制對象都已連接好并封裝在模塊或實驗臺內。另一種類型是實驗箱，采用指示燈模擬實物進行訓練，各元件之間的接線已經接好封裝在箱體內，不需要接線，只能進行編程練習。兩種類型的實驗裝置都無法讓學員自由接線，對學員練習接線技能有一定的限制，學員看不到底層的東西，不能對PLC技術技能從根本上進行學習和把握[1]。

對于職業院校的學生來說，通過實踐操作獲取操作技能才是關鍵，為了解決上述問題，設計了一種能促進提升學生動手能力的非封裝的便攜式教學用PLC實驗箱。

1 PLC實驗箱的總體設計

1.1 系統架構

PLC實驗箱系統架構框圖如圖1所示。本實驗裝置以西門子S7-1200系列PLC作為控制器，觸摸屏作為人機界面。實驗箱采用鋁合金手提箱，分為上下兩層，所有的元器件都布置在網孔板上。輸入元件主要包括按鈕、編碼器和接近開關，輸出元件主要是指示燈、步進電機驅動的絲杠導桿機構和異步電動機[2-4]。

圖1 實驗箱系統架構框圖

1.2 方案設計

為了便于攜帶，所有的元件安裝在2個500 mm×600 mm的網孔板上放置于箱體內，2個網孔板分別稱為基板和功能板，基板上的元件主要用于練習基本功能及指令，功能板上的元件主要用于步進電機控制及觸摸屏的應用練習。基板上安裝有按鈕開關盒、接線端子排、PLC、指示燈安裝盒、單相異步電動機、開關電源、繼電器以及空氣開關；功能板上安裝有觸摸屏、步進驅動器、接近開關和步進電機的絲杠導桿機構。上箱體內開設有用于放置功能板的凹槽，每個凹槽的側壁上均安裝有用于卡接功能板的卡扣。如圖2所示。

圖2 實驗箱方案設計圖

2 硬件設計與選用

2.1 可編程序控制器

根據產業發展狀況、可編程序控制器在企業的應用情況及專業教學特點等方面的因素選擇市場主流產品西門子S7-1200系列PLC，型號為CPU1215C DC/DC/DC。該PLC具有14個數字量輸入點和10個數字量輸出點，2路模擬量輸入和輸出，2個以太網口，支持PROFINET通信，既可以作為編程接口，也可以作為操作終端接口，連接人機界面設備。另外，該設備有6路高速脈沖輸出，可以滿足步進電機驅動的絲杠導桿機構的控制需求[4]。

2.2 輸入輸出設備

輸入設備主要用于工業現場開關量信號的模擬輸入，為多個常開自復位按鈕和2個轉換開關，多種按鈕組合能夠滿足不同的控制要求[5]。輸入設備還包括了絲杠導桿機構上的3個光電傳感器及1個光電增量式的編碼器[6]。輸出設備有指示燈、繼電器、步進驅動器。學生們可以借助實驗箱掌握各種輸入輸出元件的接線、安裝與調試。

2.3 上位機及人機交互界面

上位機安裝有西門子TIA Portal V15編程軟件和組態軟件MCGS，可利用組態軟件實現被控對象的仿真，對被控對象進行監控。人機界面是操作人員與PLC控制系統交互的接口設備，提供了人機交互的方式，選用了昆侖通態的TPC1061TI觸摸屏，為S7-1200PLC提供了過程監控與監視[4]。

2.4 被控對象

被控對象選用了步進電機驅動的絲杠導桿機構和單相異步電動機。步進電機帶動絲杠運動，配合編碼器、光電傳感器實現步進電機閉環控制。單相異步電動機通過變頻器或者接觸器進行控制，當使用變頻器時可以利用控制器實現多段速控制。學生通過該被控對象學習PLC運動控制指令、編程方法。

3 實驗箱的創新點

3.1 按鈕與指示燈安裝盒的結構設計

為了便于學生練習PLC的硬件接線，根據接線的特點設計了按鈕和指示燈安裝盒，如圖3、圖4所示。按鈕和指示燈安裝盒的結構相同，包括盒蓋和盒體，盒蓋一側與盒體鉸接，便于打開接線，盒蓋上開設多個用于安裝按鈕和指示燈的圓孔，圓孔設計成不同直徑，可用于安裝不同類型和尺寸的元件。通過按鈕和指示燈安裝盒的獨特設計及接線端子排的使用，學生可進行接線操作，更接近于實際生產需求，有利于學生實踐能力的提升。

圖3 按鈕和指示燈盒剖面圖

圖4 按鈕和指示燈盒俯視圖

3.2 接線端子排的應用

在控制器和輸入輸出元器件之間增加接線端子排，各元件的接線端子均通過導線延伸到接線端子排上，解決了學生直接在元件上接線導致接線端子使用壽命縮短的問題。

3.3 模塊化設計

實驗箱采用模塊化設計，所有的元器件均通過螺栓固定在網孔板上，可靈活拆裝。在特殊情況下可根據需要將不同的元器件進行組合，同時實驗箱之間也可以進行組合，增加了實驗箱選購與應用的靈活性。

4 實訓項目開發

作為職業教育院校，以職業崗位能力為目標培訓學生的技術技能是關鍵。實訓教學是讓學生理論聯系實際，加深對理論知識的理解，同時提升實際操作能力及實踐能力的重要教學環節。本實驗箱的教學項目開發是以機電設備和智能產線安裝調試、運行與維修、改造與升級等崗位的能力為目標，結合《智能制造工程技術人員國家職業技術技能標準》《智能制造設備安裝與調試職業技能等級標準》和《智能線運行與維護職業技能等級證書標準》等“1+X”證書要求的崗位職業技能，開發出由淺入深、由易到難的教學項目，總體上分為以下四個層次。

4.1 基礎實訓項目

基礎實訓項目以按鈕和光電傳感器為輸入設備，以指示燈和單向異步電動機為控制對象，完成經典的PLC控制項目，例如流水燈、交通燈、搶答器、電動機延時啟動、電動機正反轉等。通過基礎性實驗，學生掌握TIA Portal V15的功能與應用、西門子PLC基本指令的特點與使用方法，包括位邏輯指令、定時器、計數器指令等，以及PLC的編程思路和方法及輸入輸出元件的接線與調試方法，為后續的實訓項目打好基礎。

4.2 運動控制類實訓項目

步進電機或伺服電機的速度和位置控制在工業生產設備中得到廣泛的應用，由于其控制指令多且比較復雜，是PLC課程教學中的難點內容。本實驗箱以步進電機驅動的滾珠絲杠滑臺為控制對象，配合編碼器、光電傳感器實現步進電機閉環控制。通過實驗讓學生掌握步進驅動器的接線方法，位置控制向導、運動控制指令、滑臺位置控制的方法及程序編寫和調試方法[7-9]。

4.3 觸摸屏應用類實訓項目

以西門子PLC和組態軟件MCGS作為對象的實訓項目。通過觸摸屏與PLC的硬件連接及組態軟件的編寫，熟悉觸摸屏與PLC的通信方式，掌握組態軟件的編程方法，實現利用組態畫面實時地監控PLC的運行狀態，監視輸入輸出設備當前的運行動作。讓學生完成基于觸摸屏的絲桿滑臺運動監控系統和基于組態軟件的絲桿滑臺運動監控系統項目[10]。另外，可以通過組態軟件模擬仿真被控對象，增加實訓教學內容，豐富實訓教學項目。

4.4 創新拓展實訓項目

學生可以自己設計機構作為被控對象，以該裝置作為控制器進行組網，實現對被控對象的控制。創新拓展項目是以學生為主體、自主探索完成項目的過程，從繪制電氣圖紙開始，完成PLC輸入輸出信號的分配、控制流程圖的繪制、PLC程序的編寫、組態軟件的編程、通信網絡的組態等方面的工作，通過創新拓展項目學生可以掌握一個完整的工業控制項目的開發流程。該裝置可以作為職業院校科技類協會課外技能拓展訓練裝置，也可作為畢業設計的平臺，實現畢業設計的制作[4]。

5 總結

課題組設計的實驗箱以市場主流PLC作為控制器，配備了按鈕、接近開關、指示燈等元件及步進電機驅動的滾珠絲杠滑臺機構，可滿足基本實訓項目的教學要求。根據輸入輸出元件的接線要求設計了便于實現電氣接線的按鈕和指示燈安裝盒，可以讓學生從底層掌握PLC的應用，提高學生的接線操作能力。基于實驗箱開發出基礎實訓項目、運動控制類實訓項目、觸摸屏應用類實訓項目和創新拓展實訓項目，適用于不同的應用場景，為學生的學習和創新設計搭建了平臺。