氣動(dòng)PLC控制教具小型化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁剛 蒙雪蘭 方良材

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西 南寧530007）

氣動(dòng)PLC控制教具小型化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁剛 蒙雪蘭 方良材

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西 南寧530007）

針對(duì)目前市場(chǎng)上氣動(dòng)PLC控制教具多以實(shí)驗(yàn)桌的形式出現(xiàn)，占用空間較大，而且跨科目實(shí)訓(xùn)通用性不強(qiáng)這一突出問題，提出了氣動(dòng)PLC控制教具應(yīng)當(dāng)在滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)要求的情況下盡量小型化、跨科目通用化的設(shè)計(jì)思路。根據(jù)這一設(shè)計(jì)思路，本文簡(jiǎn)要闡述了一款小型化氣動(dòng)PLC控制教具的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試過程，旨在通過使用這樣的教具提高實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室的使用效率。

氣動(dòng)PLC控制；教具；小型化；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)背景

目前市場(chǎng)上氣動(dòng)PLC控制教具多以實(shí)驗(yàn)桌的形式出現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是綜合了氣動(dòng)控制與PLC控制的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，可容納較多的元器件，在實(shí)訓(xùn)中可以根據(jù)需要更換元件便可完成不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，對(duì)同一科目通用性較強(qiáng)。但實(shí)驗(yàn)桌所占空間比較大，而且跨科目實(shí)訓(xùn)通用性不強(qiáng)。在土地資源越來越珍貴的今天，很多院校受場(chǎng)地的限制，對(duì)這些教具望而止步——并非購買不起，而是采購回來后沒有足夠的空間放置。因此，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變、資源配置要求合理化的今天，如何設(shè)計(jì)教學(xué)儀器設(shè)備，在不增加土地和教室等資源消耗的情況下，又能滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的要求，有著十分重要的意義。

設(shè)計(jì)思路與要求

我院電工實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室不僅可完成電氣控制線、照明電路以及電度表的安裝與調(diào)試，還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床電路維修、電子電路板焊接、PLC控制、傳感器以及變頻器安裝與設(shè)定等多門課程的典型實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。一間小小的實(shí)驗(yàn)室為什么可以完成那么多的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目？究其原因，主要是這些教具大多沒有使用目前市場(chǎng)上熱賣的實(shí)驗(yàn)桌，而是采用活動(dòng)型的電路板塊。這些電路板塊在不使用時(shí)，可以疊放保存，占用空間少，便于管理，可騰出空間來完成其他種類的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。受此啟發(fā)，我們可以設(shè)計(jì)一款既可以在氣動(dòng)控制教學(xué)中使用，也可以在PLC控制教學(xué)中使用，甚至還可用于傳感器部分教學(xué)內(nèi)容的教具。設(shè)計(jì)這一款教具的基本出發(fā)點(diǎn)是：要求在能夠保證設(shè)備功能綜合性的同時(shí)，使其占用空間盡可能少。

從教學(xué)要求上看，我們?cè)O(shè)計(jì)的教具，首先應(yīng)該具備開設(shè)氣動(dòng)控制基本項(xiàng)目及部分?jǐn)U展項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的功能。氣動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)的基本項(xiàng)目主要有：換向回路、流量控制回路以及壓力控制回路三種基本氣動(dòng)控制回路的安裝與調(diào)試。而開設(shè)這些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，需要雙作用氣缸、二位五通電磁閥、節(jié)流閥、減壓閥等氣動(dòng)元器件。除了滿足基本回路安裝與調(diào)試的實(shí)訓(xùn)外，教具還應(yīng)適應(yīng)更高層次實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的需求。在這里我們?cè)黾恿巳N回路：時(shí)間控制回路、同步回路和順序動(dòng)作回路，并把它們作為教具的高級(jí)功能。其次，教具要利用PLC作為控制器來控制這些氣動(dòng)回路的運(yùn)行。因此，在PLC控制教學(xué)中，所需開設(shè)的實(shí)訓(xùn)不僅包括自鎖電路、互鎖電路以及延時(shí)通電電路等基礎(chǔ)電路的程序設(shè)計(jì)、電路接線及調(diào)試，還應(yīng)包括幾種不同方法順序動(dòng)作電路的程序設(shè)計(jì)、電路接線及調(diào)試等綜合性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。再次，使用磁性開關(guān)（一種傳感器）作為該教具控制系統(tǒng)的輸入元件。磁性開關(guān)需要帶磁性活塞的氣缸與之配合使用，其作用與行程開關(guān)一樣，用于行程控制。

設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路與要求，我們確定這款教具需采用三個(gè)氣缸來組成一個(gè)自我循環(huán)的工作系統(tǒng)，同時(shí)由PLC完成對(duì)這三個(gè)氣缸的控制，從而實(shí)現(xiàn)一種教具多門課程共同使用的功能。該教具實(shí)際是一個(gè)簡(jiǎn)化了的、由PLC控制的、自我循環(huán)的氣動(dòng)物料搬運(yùn)系統(tǒng)，如圖1所示（圖中箭頭旁數(shù)字與工作過程步數(shù)一致）。其工作過程可描述為：第一步，所有氣缸復(fù)位；第二步，啟動(dòng)運(yùn)行，氣缸2帶動(dòng)裝料盒至裝料位置，并停止；第三步，氣缸1推動(dòng)物料進(jìn)入裝料盒，然后復(fù)位；第四步，氣缸2復(fù)位；第五步，氣缸3推動(dòng)氣缸2移動(dòng)至最大行程位置并停止；第六步，氣缸2帶動(dòng)物料盒至出料位置并停止；第七步，氣缸1推動(dòng)物料至供料點(diǎn)并復(fù)位；第八步，氣缸2復(fù)位；第九步，氣缸3復(fù)位，工作循環(huán)完成一個(gè)周期。由于物料可使用比較輕的物品，因此氣缸帶載能力不需要太高，這里可以選擇橫截面積、行程都比較小的氣缸，且全部需要活塞帶磁性的類型。根據(jù)搬運(yùn)系統(tǒng)工作過程可以得知，至少需要兩個(gè)按鈕分別用于啟動(dòng)和停止，至少需要六個(gè)磁性開關(guān)分別安裝在三個(gè)氣缸兩端的極限行程位置。

圖1 搬運(yùn)系統(tǒng)工作過程示意圖

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）硬件設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有一定數(shù)量的單臺(tái)PLC主機(jī)，并且此教具需要使用的外部接線端數(shù)量也控制在了目前市場(chǎng)常見的最小PLC所提供的點(diǎn)數(shù)范圍內(nèi)，因此，作為主控制器的核心元件PLC并不需要重新購買。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，可以得到組裝該教具各元件清單及價(jià)目，如表1所示。表1中的各元件均可在學(xué)校附近的機(jī)電市場(chǎng)采購到，使得作為經(jīng)常拆裝的教具在出現(xiàn)元器件損壞時(shí)可方便地更換。綜合上述硬件需求，一套這樣的元件成本可以控制在600元以內(nèi)，比起一些動(dòng)輒上萬元一臺(tái)的專用教學(xué)實(shí)驗(yàn)桌，成本大大降低，使得“少花錢，多辦事”成為可能。

表1 系統(tǒng)元件清單及價(jià)目表

根據(jù)前文對(duì)該教具設(shè)計(jì)要求的描述，可得這款教具的PLC控制系統(tǒng)通道分配，如表2所示。其中，系統(tǒng)工作過程的第七步，可以通過定時(shí)器定時(shí)，并可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)氣缸1的運(yùn)動(dòng)速度來實(shí)現(xiàn)氣缸1完成第七步的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

表2 I/O通道分配表

教具的支架加工及組裝都是精度要求很高的工作。在這里，支架選擇截面為38×25mm、壁厚為1mm的不銹鋼方管作為原材料。底座部分按照“豎橫豎”的方式排布焊接在一起，從而在中間形成一個(gè)物料移動(dòng)導(dǎo)向槽。支架本身全部采用點(diǎn)焊連接方式，并在氣缸安裝處預(yù)留通孔，用于安裝氣缸。根據(jù)表2中的通道分配，可以得出PLC的外部電路接線圖，如圖2（a）所示，各氣缸磁性開關(guān)安裝位置如圖2（b）所示，氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)如圖2（c）所示。由圖2可以看出，電路接線并不復(fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)，而且可以在非常短的時(shí)間內(nèi)完成。

由于氣缸3位置的特殊性，除要求其運(yùn)動(dòng)軌跡為直線外，活塞連桿是不能發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，否則將會(huì)出現(xiàn)氣缸2不垂直導(dǎo)軌現(xiàn)象。同時(shí)，氣缸2由于連接著裝料盒，活塞連桿也是不能發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。因此，在設(shè)計(jì)過程中，可采用活塞連桿為正六邊形的氣缸作為氣缸2和氣缸3的標(biāo)準(zhǔn)配備。當(dāng)然，也可以采用雙缸氣缸或者是平行雙氣缸同步控制回路來實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)位置的直線不旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，后者成本因氣缸數(shù)目的增加而增加，顯得教具的性價(jià)比并不是那么突出，同時(shí)對(duì)支架的加工及氣缸的安裝這兩項(xiàng)工作的精度要求將會(huì)變得更高。比如平行氣缸的安裝一定要保證氣缸平行，且在工作時(shí)必須同步推出或者縮回，否則容易出現(xiàn)磨損，平行度差時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)自鎖現(xiàn)象而無法運(yùn)行。

（二）軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述的系統(tǒng)工作過程，可用順序控制編程方法進(jìn)行編程。主要方法有：步進(jìn)指令、起保停電路以及以轉(zhuǎn)換為中心的編程方法。在本設(shè)計(jì)中我們采用步進(jìn)指令方法進(jìn)行編程。其順序功能如圖3所示。其中S0為系統(tǒng)復(fù)位待機(jī)狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X1即啟動(dòng)按鈕接通；S20為物料盒進(jìn)入裝料位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X5即氣缸2下限位磁性開關(guān)接通；S21為推料進(jìn)盒狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X2即氣缸1左限位磁性開關(guān)接通；S22為推料復(fù)位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X3即氣缸1右限位磁性開關(guān)接通；S23為物料盒抬升狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X4即氣缸2上限位磁性開關(guān)接通；S24為物料盒右移狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X7即氣缸3右限位磁性開關(guān)接通；S25為物料盒下降狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X5即氣缸2下限位磁性開關(guān)接通；S26為出料狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為T0即定時(shí)器延時(shí)常開觸點(diǎn)接通；S27為出料復(fù)位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X3即氣缸1右限位磁性開關(guān)接通；S28為物料盒抬升復(fù)位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X4即氣缸2上限位磁性開關(guān)接通；S29為物料盒左移復(fù)位狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件為X6即氣缸3左限位磁性開關(guān)接通。

圖2 電路及氣路原理圖

圖3 PLC功能圖

根據(jù)順序功能圖可輕松地轉(zhuǎn)化為梯形圖程序。

（三）程序仿真與調(diào)試

完成了梯形圖程序設(shè)計(jì)，在真正用于控制系統(tǒng)前，還必須經(jīng)過仿真軟件進(jìn)行模擬調(diào)試，除了觀察每一步是否在相應(yīng)的轉(zhuǎn)移條件下能夠順利轉(zhuǎn)移之外，還應(yīng)注意輸出線圈是否能夠順利接通。確定了調(diào)試核對(duì)目標(biāo)便可完成對(duì)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真檢測(cè)這一項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（四）教具的組裝與調(diào)試

程序仿真與調(diào)試成功后，就可進(jìn)行教具的組裝與調(diào)試了。在組裝時(shí)選擇的是行程最大為150mm的氣缸，所以整套設(shè)備橫過來放置長(zhǎng)度不超過800mm，高度不超過400mm，寬度也不超過200mm，因此體積較小。而且由于這樣的體積，普通課桌的桌面都能放置得下，即使加上PLC主機(jī)模塊也能容納得下。

結(jié)語

設(shè)計(jì)組裝完成后，使用該系統(tǒng)可以完成氣動(dòng)控制回路安裝實(shí)訓(xùn)、PLC控制電路安裝實(shí)訓(xùn)、PLC控制程序設(shè)計(jì)等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。由于PLC控制程序可更改，該搬運(yùn)系統(tǒng)的工作流程也可以隨之改變。從組裝結(jié)果來看，體積滿足了設(shè)計(jì)要求，不至于有太大元件難以放置，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備小型化、合理利用教室資源的目標(biāo)。

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G712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-5727（2011）11-0156-03

梁剛（1982—），男，壯族，廣西南寧人，工程碩士，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動(dòng)化。

蒙雪蘭（1970—），女，壯族，廣西南寧人，工學(xué)碩士，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動(dòng)化。

方良材（1982—），男，廣西南寧人，工程碩士，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)電設(shè)備維修。