網孔型PLC 綜合實訓裝置的創新設計*

殷 歡 ，劉 曼

（江西機電職業技術學院電氣工程學院，江西 南昌 330013）

0 引言

隨著我國自動化控制技術的迅速發展，現今企業對機電人才的需求量不斷增加，對人才質量的要求也不斷提高?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）是當今工業自動化領域的主流控制器，機電一體化技術、電氣自動化技術、智能制造工程等專業均將PLC相關課程作為專業核心課程。為了培養學生的操作技能，提高學生的學習積極性，增加學生的動手機會，各類院校均會購買各種類型的實訓教學設備和裝置[1-3]。然而，原有PLC 實驗實訓設備存在以下不足：第一，設備結構封閉，實驗模塊固定，實驗項目單一，不利于培養學生的創新思維和設計能力[4-5]；第二，設備以模擬被控對象為主，項目調試過程不直觀，這樣結構的實驗實訓設備很難滿足高素質技術技能人才的培養要求[6-7]。

近年來，高職教育人才培養模式進行了一系列改革，尤其在實踐教學方面，實訓基地建設的重要性越來越顯著，實驗實訓設備的購置、自制和升級改造也是各類院校實驗實訓室建設的重點內容[8-10]。在實訓內容上接近典型化、實用化、情景化、現代化，由單純的實驗實訓型向生產型轉化是購買的實驗實訓設備不易達到的，同時，改造升級和自制設備成本更低，更能鍛煉師生的專業技能，因此從設備穩定安全工作、服務教學和經濟效益角度出發，實訓教學裝置的自制和改造升級必將更加適應教學需要。

1 系統總體設計方案

本綜合實訓裝置設計的基本思路：符合專業教學要求、保證電氣安全及滿足生產工藝要求?？傮w設計思路圍繞當前實訓教學中存在的不足及需要增加的功能來進行設計，著力解決課程項目式教學、電氣安裝、整體布置及占地面積等方面問題。實訓裝置主要由PLC 模塊、工業觸摸屏（HMI）、知識燈及按鈕模塊、運動模塊、模擬量模塊等組成，并配有必需的安全性設計（供電保護、PLC 輸入輸出保護），如圖1 所示。為便于展示內部電氣線路及學生裝配練習，本實訓裝置沒有采用傳統電氣控制柜將電氣線路組裝在封閉或半封閉金屬柜中的形式，而是采用了網孔架的形式，該方式占地面積更小，更有利于空間利用。

圖1 柜體整體設計

本實訓裝置可實現PLC 編程與通信、上位機HMI 組態、運動控制、模擬量控制等內容的實驗項目及電氣柜的設計與安裝、自動化設備安裝與調試、復雜自動化系統編程與調試等復雜實訓項目，可根據課程需要自主選擇實驗或者實訓項目。

2 方案實施

2.1 柜體外觀設計

網孔架上方為豎式網孔板，用于電氣線路裝配；下方為抽拉式工具箱，用于存放工具、元器件等；工具箱上方臺面可作為工作臺，用于擺放不便于垂直裝配或使用的元器件模塊。綜合考慮網孔架高度，預估網孔架大體布局及網孔板與工具箱的比例，保證正常運行時網孔架的安穩和牢固，避免傾覆，且高度便于安裝布線。豎式網孔架控制柜結構三視圖如圖2所示。

圖2 豎式網孔架控制柜結構三視圖

豎式網孔架基本結構：下方為工具箱和4 個輪子，上方為豎式網孔板；

尺寸：800 mm（長）×600 mm（寬）×1 930 mm（高）；

框架結構：外框架由鋁合金型材構成，內嵌噴塑鋼板；

鋼板尺寸：1 220 mm×720 mm；

鋼板厚度：2 mm；

鋼板孔規格：上方孔尺寸6 mm×10 mm，孔左右間距為6 mm，上下間距為6 mm，錯位8 mm；

網孔板配有推拉式工具箱，工具箱采用型材外框、2 mm貼面板底部，網孔架底部裝有滑輪。

2.2 網孔板電氣結構布局

控制柜線路系統的設計是從元器件結構布局開始的，因此合理的器件布置至關重要。系統應按照低壓配電裝置的布置技術規范進行布置，同時設備布置必須遵循安全、可靠的原則，需要便于安裝、操作、搬運和檢修。網孔板元器件布置如圖3 所示。整個網孔架自上而下可分為三個區域：可視化及操作區、主控制區、電纜固定接地區。

圖3 網孔板元器件布置

可視化及操作區主要實現控制指令發出及數據采集與控制、應用場景動畫模擬等功能。主要由數字量輸入模塊（按鈕）、模擬量輸入模塊（電位器）、數字量輸出模塊（指示燈）及工業觸摸屏（西門子HMIKTP 700 BASIC）組成。

主控制區為整套設備的控制核心。PLC 選用西門子新一代SIMATIC S7-1200 控制器1214C DC/DC/DC；為便于模擬量信號輸出，通信配有信號板SB1232；為便于PLC 與外部設備之間實現Modbus-RTU、自由口等通信，配有CM1241 通信模塊?？紤]到實驗室使用環境，采用220 VDC 電源為設備供電，總供電進線經過總保護后，分流成三支回路，一是24 VDC 開關電源回路，用于PLC 等元器件供電；二是調試插座回路，用于兩個設備調試插座供電；三是變頻器PM 供電回路，作為綜合實訓裝置的預留部分，可為后期加入變頻控制供電。網絡采用工業交換機實現PROFINET 星型拓撲結構。

電纜固定接地區外部設備的控制電纜采用RVVP-10*0.75 mm2，并對設備做單點接地，可抵抗工作環境中的電磁干擾。

2.3 工作臺布局

工作臺包括模擬量控制模塊及運動控制模塊。在工業控制領域，經常要對來自現場的電流信號、電壓信號、溫度、壓力等模擬量進行數據采集，最為常見的模擬量控制就是溫度控制，綜合考慮典型性、易實現性、安全性等因素，本綜合實訓裝置使用溫度控制作為模擬量控制模塊的控制對象。該部分由PT00鉑熱電阻和溫度智能PID 調節器XMT62X 儀表組成并置于工作臺上，用于檢測并顯示當前溫度值。三線制鉑熱電阻PT100 連接到智能PID 調節器的輸入端子；溫度智能PID 調節器通過RS-485 串口，利用Modbus-RTU 通信協議，PLC 讀取到當前的溫度值；PLC 通過PROFINET 協議與HMI 相連，將當前溫度值顯示在工業觸摸屏上。通信硬件連接情況如圖4所示。

圖4 通信硬件連接情況

出于成本考慮，本綜合實訓裝置暫時使用步進電機作為運動控制模塊。該部分由57 系列步進電機配合DM542 數字式中低壓步進電機驅動器來驅動一維滾珠絲杠。滾珠絲杠的兩端均設置微動開關，正中設置漫反射光電開關用于定位。S7-1200 系列PLC 提供四組高速脈沖輸出發生器，Q0.0 和Q0.1、Q0.2 和Q0.3、Q0.4 和Q0.5、Q0.6 和Q0.7，其中前兩組脈沖輸出發生器的最大脈沖頻率對應CPU 的數字量輸出100 kHz，后兩組最大為30 kHz。該部分使用PLC 的第一組高速脈沖輸出發生器，用于控制脈沖信號的方向及發送脈沖信號給步進驅動器。本綜合實訓裝置配有開放性接口，可供后期擴展變頻器控制。

2.4 電氣安全保護設置

電氣安全保護設置包括：

1）綜合實訓裝置柜體及要求接地的器件均接地效果良好；同時配有必要的信號隔離，如為了更好地保護CPU，整套設備的DI/DQ 均采用了隔離繼電器實現中間繼電器隔離。

2）具備漏電保護功能。額定漏電動作電流30 mA，漏電分斷時間<0.1 s。

3）短路和過流保護。綜合實訓裝置柜體設置了空氣開關和保險，保護電路不因過大的電流而燒毀，起到保護電路的作用；24 VDC 開關電源回路輸出經過保險端子的設計，極大程度保護了24 V供電系統。

4）過壓保護和欠壓保護。綜合實訓裝置設置了超壓、過壓、欠壓保護器，對電壓進行全面監測、控制、保護。高電壓時保護自身，低電壓時穩定工作；動作電壓精準，執行響應速度快。

2.5 實驗實訓項目確定

本綜合實訓裝置采用基于西門子工業觸摸屏HMI 虛實結合的實驗實訓方式，上位機HMI 可根據實驗實訓項目的不同，由學生靈活設計操作界面及虛擬動畫界面，畫面簡潔易用，動畫形象逼真。實驗實訓項目分為實驗部分和綜合實訓部分。

實驗內容安排如表1 所示，一共有22 個實驗，分為基本篇和進階篇，主要對學生的PLC 基本能力進行訓練與培訓。

表1 實驗內容安排

基本篇共安排有12 個實驗，主要涉及內容為S7-1200 的基本控制指令，如：置復位、定時器、計數、數據運算，該部分通過一些基本實驗可讓學生掌握這些指令的使用。實驗內容安排循序漸進，承上啟下。總體而言，該部分的難度及綜合性均較低，適用于入門學習。

進階篇共安排有10 個實驗，包括SCL 語言編程、順序控制、中等難度的自動化編程調試，相較于基本指令部分，該部分更傾向于學生對PLC編程的整體思維進行拓展。相應地，其難度會更高且綜合性會更強。

實訓部分共安排有4 個實訓項目，涵蓋了工業控制領域的基本功，包含了電氣設計、設備安裝與調試、復雜自動化系統編程與調試、簡單的程序算法。相比于實驗部分，實訓部分的綜合性顯得更強，十分適合于自動化綜合技術的鍛煉。實訓內容安排如表2所示。

表2 實訓內容安排

3 應用效果對比分析

本綜合實訓裝置目前應用于江西機電職業技術學院的機電一體化技術、電氣自動化技術、智能控制技術等專業進行PLC 課程的一體化教學、考核、課程設計，競賽選手選拔的基礎性培訓以及電氣控制類社會培訓。通過兩年多的實踐教學應用證明，本實訓裝置具有工作安全、可靠，占地空間小，布線直觀，便于安裝、操作、搬運和檢修等特性。相較于原有PLC實驗實訓設備，本綜合實訓設備可為使用者提供自控程序、電氣硬件、網絡信息、圖紙接線等多方面的功能，更加符合對技術技能人才綜合素質培養的需求。

對照班與實驗班課程滿意度調查數據對比如圖5 所示。由圖5 可知，一方面，使用了本實驗裝置后，學生對實驗實訓設備的滿意度從79%增加為90%（第6 題），認為課程內容切合企業一線崗位的學生比例從32%增加到77%（第7 題），由于綜合實訓項目的教學，使得認為課程較難的學生從60%增加到77%（第8 題），但是同時認為通過課程學習收獲很大的學生從65%增加到82%（第9 題）。另一方面，從第2 題到第5 題關于教師教法、儀態、表達及信息化使用方面，兩個班的數據差距不大。因此可以判斷出通過使用創新型實訓裝置并配套開展綜合性項目式教學，學生對課程的滿意度大大提高。

圖5 對照班與實驗班課程滿意度調查數據對比

4 結論

本項目從立項至今，經過兩年多的探索與實踐，設計并完成了20 套綜合實訓裝置的安裝與調試，建成了現代控制室實訓室。本項目創新了江西機電職業技術學院校內實訓基地的建設途徑，成為校內實訓基地建設的有益補充，經過三屆學生的使用，本實訓裝置具有工作安全、可靠，占地空間小，布線直觀，結構靈活，易于擴展，便于安裝、操作、搬運、檢修、試驗和監測等特性，具有一定的推廣價值。