雙系統(tǒng)模塊化控制實訓裝置的研制與應用

賴永波 嚴 惠

摘 要:針對高職院校自動化和機電一體化類專業(yè)實訓教學需求,指出當前實訓教學設備不適宜整合教學的原因和存在的主要問題,本文研制了一種新穎、經(jīng)濟且可操作性強的西門子和三菱PLC雙系統(tǒng)模塊化控制實訓裝置,闡述了PLC雙系統(tǒng)模塊化控制實訓裝置的結構與功用價值,該裝置充分的整合了自動化和機電一體化兩類專業(yè)實訓教學需求,對高校實訓設備建設和課程改革具有指導意義。

關鍵詞:PLC雙系統(tǒng) 模塊化控制 實訓裝置 實訓教學

目前高職院校自動化和機電一體化兩類專業(yè)開設的相關專業(yè)課程,雖實訓教學得到不同程度的加強和發(fā)展,但是由于實訓教學設備的不足,以及實訓設備不能夠充分地整合專業(yè)課程設置,直接影響了實訓教學的層次和高職人才的培養(yǎng)質量。為學生提供一個能充分體現(xiàn)職業(yè)性的實訓實踐場所,配備可操作性強的系統(tǒng)化的實訓設備,加強實訓教學,重視技能的培養(yǎng),已成為衡量高職院校辦學的重要標準。

鑒于上述問題,我院機電和自動化教研室聯(lián)合研制出一種PLC雙系統(tǒng)模塊化控制實訓裝置,該裝置充分地整合了自動化和機電一體化類專業(yè)技術領域內可編程控制器、變頻器、交直流電機、傳感器、組態(tài)控制、液壓與氣動、數(shù)控加工、機械設計與制造等課程的實訓和實習實踐教學。通過對該雙系統(tǒng)實訓裝置的闡述,期望引起同行關注實訓設備的建設和實訓課程教學的改革,推進高職教育的發(fā)展。

一、當前自動化和機電一體化兩類專業(yè)實訓教學設備的現(xiàn)狀

1.硬件和軟件整合種類少,實際學習操作機會有限

目前高等院校使用的實訓教學設備,一般結構固定,選用的機械和電器類型固定單一,接線固定,不允許隨意拆卸或組合;搭載的軟件孤立單一,系統(tǒng)化在線運行和離線模擬有限,導致在實訓教學中學生真正動手操作機會有限,直接影響實訓實踐技能的培養(yǎng)與提高。

2.系統(tǒng)化少,重復建設,設備資源利用率低

當前使用的實訓教學設備,主要根據(jù)某一課程要求,在滿足基本教學條件下而仿制的,設備的針對性強,導致涉及的專業(yè)技術領域狹窄,存在技術單一的局限,無法實現(xiàn)機、電、氣、液聯(lián)動一體化,系統(tǒng)化程度極底,不能給予學生從更寬廣的認知角度來學習和認識當今工業(yè)生產(chǎn)流程。

機電一體化類實訓和自動化類無關聯(lián),能夠完成機電一體化類課程的實訓設備,只要簡單置換或組合一下硬件模塊以及安裝相應的軟件之后,就可完成自動化類實訓教學需要。以至產(chǎn)生重復建設,導致實訓設備資源浪費、利用率低。

二、PLC雙系統(tǒng)模塊化控制實訓裝置的構成與功能

1.實訓裝置的硬件組成

在一個環(huán)行的制造生產(chǎn)線上,集成9種涵蓋當今一般工業(yè)控制流程所必需的機械執(zhí)行部件、電氣設備,將他們按照機械電氣類型或工程上的組合方式構成不同的模塊單體,在考慮工作目標和控制要求,以及易操作條件下,將模塊單體合理的分布在環(huán)行生產(chǎn)線上。采用安全接插件和保護裝置與外電網(wǎng)相接。裝置組成如下(見圖1)。

9種模塊單體為:供料工作單元、液壓沖壓單元、數(shù)控加工單元、清洗與烘干單元、視覺檢測單元、組裝單元、堆垛單元、倉庫存儲單元、教師站網(wǎng)絡單元。

2.實訓裝置的硬件功能

供料工作單元實現(xiàn)工件的存儲、轉移和工件運輸功能,工件供應單元是整套系統(tǒng)的起始單元。

液壓沖壓單元配置全套日本SMC/行程45MM液壓控制系統(tǒng),實現(xiàn)液壓的沖壓加工功能,上一站工件到達后,加工成半成品送出,本單元還設置半成品檢測傳感器,以檢查是否加工合格。

數(shù)控加工單元由HNC-18i數(shù)控機床控制器、伺服務器定位與變頻主軸驅動系統(tǒng)和西門子802C小型數(shù)控機床三部分組成,采用機電一體化技術和獨特的結構。實現(xiàn)對塑料、木材和鋁材的精密加工和處理,比如銑、擴、雕刻等功能。

清洗與烘干單元機械手將流水線上的工件抓取,當清洗檢測傳感器檢測到工件到達后,自動噴頭開始噴水對工件進行清洗,清洗完成之后,對工件進行烘干處理。

視覺檢測裝置配置邦納視覺傳感器,接受環(huán)行制造生產(chǎn)線皮帶運輸?shù)墓ぜ?完成工件形狀、外觀等精確性能指標檢測,如果工件表面有損傷,將工件放置到不合格工位,反之則通過氣動機械手運輸回環(huán)行流水線上。

組裝單元由坐標機器人將工件包裝底座運輸、轉移,模擬工件準確放置,還要準確加放頂蓋功能,實現(xiàn)復雜的邏輯控制,生成一套完整的成品。

堆垛單元采用軸關節(jié)機械結構,通過服務器與步進控制系統(tǒng),配置電感、顏色、光纖三種傳感器,機器人分別可以進行產(chǎn)品材料、顏色和厚度檢測功能,不合格產(chǎn)品將放置到儲存板上,并為倉庫單元做準備。

倉儲成品單元配置堆剁機,根據(jù)設定的倉庫庫位號進行計算,自動完成幾行幾列的查找任務,將成品貨物進行全自動出入庫。

3.模塊單體的雙系統(tǒng)控制關系

實訓裝置的核心是西門子S7-200/300和三菱PLC模塊雙系統(tǒng),在每個單體上裝配有S7-200和FX-2N雙控制模塊、PC機、HMI觸摸屏,對應的機械和電器執(zhí)行機構。通過切換開關實現(xiàn)西門子和三菱PLC系統(tǒng)獨立運行,控制關系原理圖如下(見圖2)。

通過教師站(上位機)單元網(wǎng)絡,進行數(shù)據(jù)通訊。配置了一套S7-300 PLC系統(tǒng),系統(tǒng)包括了PROFIBUS-DP通訊接口和以太網(wǎng)通訊模塊,兩種總線通訊方式都可以完成與每個模塊單元的通訊功能,而且以太網(wǎng)總線可以將PLC與多臺PC連接在統(tǒng)一的網(wǎng)絡中,這樣任何一臺PC機均可以訪問到任何模塊單體PLC,系統(tǒng)可以自由組合,完成聯(lián)動、聯(lián)控等功能。

三、雙系統(tǒng)實訓裝置的技術指標與應用

1.實訓項目

本系統(tǒng)具有模塊化、綜合性、易擴充及與實際生產(chǎn)過程的相似性等特點。實訓過程可以從基礎的簡單操作和控制逐步擴展到對復雜操作的控制,具有非常強的自主性、靈活性和創(chuàng)新性。系統(tǒng)模塊的機械結構、執(zhí)行機構和電氣控制回路完全獨立,可以滿足獨立教學,模塊之間的機械連接通過鎖扣式結構,拆、裝都非常方便,操作性強。

供料單元可單獨完成PLC綜合編程、氣動綜合、傳感器、電機綜合控制、機械安裝與調試技術、電氣控制技術等16個子項實訓。

液壓沖壓單元可單獨完成PLC綜合編程、液動技術綜合使用、傳感器技術、步進調速電機、沖壓機床機械安裝與調試技術等22個子項實訓。

數(shù)控加工單元裝置可完成電氣技術設計、故障診斷、電氣維修、數(shù)控機械設計、控制編程設計等8個子項實訓。

清洗與烘干單元配置了模擬量輸入輸出模塊,不但可以實現(xiàn)恒壓與恒溫控制,而且還可以進行PID算法在內的等21個子項實訓研究。

視覺檢測單元可單獨完成磁性藕荷無桿氣缸設計與使用,PLC與光、機、電、視覺傳感器綜合,氣動機械手綜合編程實驗等10個子項實訓研究。

組裝單元可單獨完成PLC與電感、光電、霍爾、機械傳感器綜合,直線坐標機器人HMI觸摸屏組態(tài)綜合,直線坐標機器人裝置全自動控制編程課程等16個子項實訓研究。

堆垛單元可單獨完成PLC綜合編程、軸關節(jié)機器人與伺服電機綜合控制、氣動技術綜合使用、顏色、光纖傳感器技術等19個子項實訓訓練。

倉庫存儲單元可單獨完成PLC堆剁機與變頻器綜合控制、編碼器測量技術、電容傳感器技術、位置定位等20個子項實訓。

系統(tǒng)中所使用的電氣元件均采用24V直流電源供電,每一個工作單元都具有自己的控制信號輸入及雙PLC模塊控制板,系統(tǒng)中任何兩單體、三單體、四單體組合連在一起,可完成機電一體化和自動化類課程實訓教學,課程實習模擬現(xiàn)代制造和加工自動化的典型過程。有近10個系統(tǒng)化工程實訓課題。

2.實訓的技能目標

通過該實訓裝置的學習和實踐訓練,初步掌握電氣設備的選擇與系統(tǒng)布線技術;認識系統(tǒng)總體設計方案;掌握簡單的機械與電氣控制系統(tǒng)設計;建立控制系統(tǒng)的工程化設計思想;掌握西門子與三菱兩大主流PLC控制系統(tǒng)的一般編程;認識機電一體化系統(tǒng)的集成、聯(lián)動方法;掌握機電一體化系統(tǒng)的測試、調試、維修初等技能。

四、雙系統(tǒng)實訓裝置的應用

1.教學領域

(1)該裝置模塊單體分開培訓可以容納較多的學員同時學習,也可為畢業(yè)設計、生產(chǎn)實習、課題研究等提供一個實踐平臺。

(2)該裝置的研制整合了自動化和機電一體化兩類專業(yè)中所有專業(yè)技術,通過150多個實訓項目涵蓋了兩類專業(yè)的所有專業(yè)課程。融合了最新的現(xiàn)代技術,充分的體現(xiàn)了高起點、新要求、應用性寬廣的特點。

(3)該裝置的應用具有寬廣性,解決了有史以來自動化和機電一體化兩類學科的交接知識領域的教學難題,為學生提供了一個更寬泛的學習與實踐平臺。

(4)該裝置的研制與實踐,在培養(yǎng)學生工學一體化、理實兼?zhèn)涞募寄芡瑫r,向教師提出了更高的要求,教師應具有豐富的專業(yè)技術和課堂組織教學能力。

2.科研領域

(1)自行研制實訓裝置,節(jié)約資金,提高教師的實踐能力,為高校研制實訓教學設備提供了一種借鑒。

(2)該裝置的實訓教學,不僅可以改進課程設置、教學內容和方法的改革,而且將推動兩類專業(yè)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新。

(3)該雙系統(tǒng)生產(chǎn)控制線,可靠性高,加以改造可將比例縮小運用于精密儀器儀表加工,也可幾何擴大成現(xiàn)代先進工業(yè)生產(chǎn)流程線。

(4)該裝置的實訓教學,對培養(yǎng)和提高雙師型教師隊伍能發(fā)揮積極的作用。

參考文獻

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