多功能PLC實(shí)踐教學(xué)裝置研制

束長(zhǎng)寶，蔣步軍，于 照，陳云云

（揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中明確提出，高等教育要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地等基本建設(shè)，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)［1－2］。實(shí)踐教學(xué)是工科專業(yè)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是高等教育中不可或缺的重要組成部分，是提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑，對(duì)當(dāng)代工科大學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)起著舉足輕重的作用［3－4］。

PLC（可編程控制器）作為一種專用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程方便、功能擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用廣泛。PLC課程是電氣類專業(yè)主干課程之一，PLC實(shí)踐應(yīng)用能力的強(qiáng)弱對(duì)學(xué)生的就業(yè)及日后從事工業(yè)自動(dòng)化方面的工作起著重要作用，而學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)離不開相應(yīng)教學(xué)儀器設(shè)備的硬件基礎(chǔ)，我校電氣控制及PLC課程或可編程控制技術(shù)等課程的實(shí)踐性環(huán)節(jié)主要有實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)習(xí)和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

1 研制原因

普通PLC實(shí)驗(yàn)裝置常因功能簡(jiǎn)單、系統(tǒng)無法擴(kuò)展而不能勝任復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)，如課程實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等不同教學(xué)任務(wù)的功能需求。我們?cè)荣?gòu)置的8套PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)因功能相對(duì)簡(jiǎn)單，主要滿足實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)需要，復(fù)雜的控制要求則無法滿足。而分別購(gòu)置實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)裝置和畢業(yè)設(shè)計(jì)用裝置常常因經(jīng)費(fèi)限制、設(shè)備用途單一、價(jià)格較高、通用性不強(qiáng)、使用率低等缺點(diǎn)而制約綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)工作的有效開展。

另外，目前高校工科專業(yè)的課程實(shí)習(xí)面臨企業(yè)缺乏積極性，到企業(yè)的實(shí)習(xí)往往演變成參觀，學(xué)生不能參與生產(chǎn)過程，不能詳細(xì)了解生產(chǎn)工藝，易流于形式和走馬觀花等問題；而且因?qū)嵙?xí)經(jīng)費(fèi)緊張，實(shí)習(xí)時(shí)間難以保證［5－6］。因此我們采取校外實(shí)習(xí)基地和校內(nèi)實(shí)習(xí)場(chǎng)所相結(jié)合的形式，校外實(shí)習(xí)基地用于學(xué)生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)以拓展專業(yè)或課程知識(shí)，校內(nèi)實(shí)習(xí)場(chǎng)所則是依靠專業(yè)綜合實(shí)習(xí)室，供實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)使用。

鑒于市售的設(shè)備難以滿足PLC不同實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、不同被控對(duì)象的不同控制要求，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)有限的情況下，我們決定自制多功能PLC實(shí)踐教學(xué)裝置以滿足不同實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的多種需要。

2 研制思想

項(xiàng)目從2010年6月開始立項(xiàng)到2011年12月一期項(xiàng)目結(jié)題，二期從2012年6月到2013年3月結(jié)束。由于我校與日本三菱電機(jī)自動(dòng)化有限公司共建PLC實(shí)驗(yàn)室，而且教學(xué)用教材主要講解三菱FX系列機(jī)型，故主要設(shè)備采用日本三菱電機(jī)自動(dòng)化有限公司的產(chǎn)品，共20套多功能PLC實(shí)踐教學(xué)裝置。

PLC作為常用的工業(yè)控制設(shè)備，不僅可獨(dú)立運(yùn)行，還常與計(jì)算機(jī)、變頻器、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及傳感器、智能儀表等共同構(gòu)成控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)形式如圖1所示［5］。為了增強(qiáng)學(xué)生的工程認(rèn)知感和實(shí)踐能力，設(shè)計(jì)的PLC綜合實(shí)踐裝置可根據(jù)不同教學(xué)任務(wù)或要求，靈活增減觸摸屏、變頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、通信適配器、傳感器、智能儀表、電量變送器、交直流電機(jī)、接觸器、繼電器、斷路器、熔斷器及接線端子等可選器件，進(jìn)行有機(jī)組合，并與PLC及計(jì)算機(jī)（裝有編程、仿真、組態(tài)等軟件）一起構(gòu)建成所需的控制系統(tǒng)，并接近工程實(shí)際［5］。設(shè)備元件安裝于多孔板上，為便于靈活組合和安裝接線，控制柜的4個(gè)門均可拆卸。

圖1 PLC控制系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)

多功能PLC實(shí)踐裝置既可承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，又能承擔(dān)課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)任務(wù)，具有可靠性高、功能多、通用性強(qiáng)、靈活性好、選擇性強(qiáng)、擴(kuò)展方便、性價(jià)比高、一體化等優(yōu)點(diǎn)［5］，為我院電氣工程及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、建筑電氣與智能化、能源與動(dòng)力工程等專業(yè)相關(guān)課程提供實(shí)驗(yàn)裝置，既打破了專業(yè)界限，又營(yíng)造了近似的工程環(huán)境。在進(jìn)行PLC課程實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)不同控制系統(tǒng)的不同控制要求，靈活選擇模塊、設(shè)備或元件，甚至多臺(tái)套配合使用，如兩套或多套設(shè)備組合實(shí)現(xiàn)PLC的1∶1或N∶N網(wǎng)絡(luò)通信、一臺(tái)PLC對(duì)多臺(tái)變頻器的MODBUS通信控制等內(nèi)容，從而滿足PLC的不同實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)包括及畢業(yè)設(shè)計(jì)的需要。

3 硬件電路設(shè)計(jì)及配置

3.1 多功能I／O板設(shè)計(jì)制作

為了便于滿足不同控制功能的調(diào)試需要，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了多功能I／O板，該板主要由DI、DO、AO、譯碼顯示電路以及電源指示等電路組成，主要提供有關(guān)PLC輸入信號(hào)及PLC輸出顯示用，可滿足常規(guī)的DI、DO及AI輸入和輸出顯示等需要。

3.1.1 開關(guān)量輸入信號(hào)

考慮到控制對(duì)象有多種開關(guān)量信號(hào)形式，在設(shè)計(jì)時(shí)采用的開關(guān)量信號(hào)有10個(gè)復(fù)合按鈕提供各10個(gè)常開（NO）和10個(gè)常閉（NC）信號(hào)、6路紐子開關(guān)、2路行程開關(guān)、2路開關(guān)、1個(gè)4位DIP撥碼開關(guān)、1個(gè)4位BCD碼輸出的撥碼開關(guān)等，所有DI信號(hào)公用一個(gè)COM端。

3.1.2 模擬量輸入信號(hào)

AI信號(hào)采用國(guó)際上統(tǒng)一的DDZ－Ⅲ型的DDZ－S型自動(dòng)化儀表信號(hào)4～20mA DC作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。由于FX2N－4AD（圖1中AD）模擬量模塊輸入電阻Ri為250Ω，設(shè)計(jì)時(shí)選用4.7kΩ多圈電位器、1kΩ精密電阻，加DC 24V電源，將多功能版輸出端子的I＋、I－分別與FX2N－4AD模塊的電流輸入正端I＋ （與V＋短接）、負(fù)端VI－相連接，調(diào)節(jié)相應(yīng)的電位器RP可調(diào)節(jié)輸出電流的大小，電流調(diào)節(jié)范圍為4～20mA。為了監(jiān)視電流的大小，可用電壓表測(cè)量1kΩ電阻R兩端的電壓Ur，其對(duì)應(yīng)關(guān)系為：I＝Ur／R。4～20mA信號(hào)調(diào)理電路見圖2。4～20mA模擬量信號(hào)共4路。

3.1.3 PLC輸出

圖2 4～20mA信號(hào)電路

PLC輸出分兩種方式：一種直接通過端子接接觸器、繼電器等器件驅(qū)動(dòng)負(fù)載，另一種用LED指示輸出。LED指示的工作電源采用5V，其輸出顯示采用兩種方式：一種是LED輸出顯示，當(dāng)相應(yīng)接線端子接有PLC輸出信號(hào)時(shí)，該路LED被點(diǎn)亮；另一種采用七段數(shù)碼管顯示。為了方便計(jì)數(shù)顯示方式的對(duì)比，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種數(shù)碼顯示方式：一種是占用4個(gè)PLC輸出點(diǎn)的BCD碼輸出形式，用74LS04反相器＋74LS48譯碼驅(qū)動(dòng)器＋BS201A／BS207共陰數(shù)碼管及必要的上拉電阻、限流保護(hù)電阻構(gòu)成DS1數(shù)碼顯示方式，原理電路見圖3。其中Y00－1—Y03－1為PLC的輸出端，無論是NPN型晶體管型還是繼電器型的PLC輸出端都可以通過10kΩ的上拉電阻接5V電源，并通過74LS04反相器反相后與PLC的輸出狀態(tài)邏輯相一致，再送至74LS48譯碼驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)共陰數(shù)碼管顯示；另一種是占用7個(gè)PLC輸出點(diǎn)采用SEGD七段碼譯碼指令輸出的DS2數(shù)碼顯示方式，用74LS06＋BS201A及必要的上拉電阻、限流保護(hù)電阻構(gòu)成DS2七段數(shù)碼顯示。同時(shí)為了節(jié)省輸入路數(shù)增加多用性，在Y00—Y06的輸出指示回路上設(shè)置了3個(gè)位置（LED、DS1、DS2）的跳線，在作為 LED顯示或4位BCD碼DS1顯示或作為SEG編碼的DS2顯示時(shí)，只要把跳線帽插在LED或DS1或DS2位置即可，也可以同時(shí)插上LED和DS1跳線，比較2進(jìn)制和8421 BCD碼的關(guān)系，同時(shí)插上LED和DS2跳線可以比較2進(jìn)制和七段碼的關(guān)系。

圖3 PLC的BCD碼譯碼輸出顯示原理電路

3.2 多功能PLC實(shí)踐教學(xué)裝置軟硬件配置

20套裝置分兩種：12套采用繼電器輸出型FX3U－48MR，8套采用晶體管輸出型 FX2N－48MT，便于驅(qū)動(dòng)不同類型的負(fù)載。圖4為自制多功能PLC實(shí)踐教學(xué)裝置之一，這套裝置中包含的主要設(shè)備元件有三菱FX3U－48MR主機(jī)、三菱GOT1000系列145 mm（5.7英寸）觸摸屏、三菱 E740變頻器、三菱FX2N－4AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、FX2N－2DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、多功能I／O信號(hào)板、三相異步電動(dòng)機(jī)3臺(tái)、開關(guān)電源、接觸器、OMRON DC24V繼電器及菲尼克斯接線端子等。另有8套主要硬件配置相同，除主機(jī)改為三菱晶體管輸出型FX2N－48MT PLC外，還配有步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)等，以方便進(jìn)行步進(jìn)控制或伺服控制用。

上位計(jì)算機(jī)采用聯(lián)想啟天系列商用機(jī)，除安裝常規(guī)的辦公軟件外，主要安裝了三菱PLC編程軟件GXDeveloper V8、仿真軟件Simulator V6、HMI畫面設(shè)計(jì)組態(tài)軟件GT－Designer3；同時(shí)為了便于構(gòu)建計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)的組態(tài)監(jiān)控選用國(guó)產(chǎn)商業(yè)組態(tài)軟件Kingview。鑒于USB口通信適配器的廣泛使用，計(jì)算機(jī)上安裝了USB口轉(zhuǎn)RS－422編程口的通信適配器的驅(qū)動(dòng)軟件，以方便程序讀寫、在線監(jiān)控等編程調(diào)試等工作。此外還安裝了實(shí)踐裝置上主要設(shè)備元件的CAJ／PDF文檔資料，方便學(xué)生學(xué)習(xí)或拷貝。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生可根據(jù)實(shí)踐教學(xué)任務(wù)的不同控制要求選擇相應(yīng)器件設(shè)備，在掌握設(shè)備的基本功能、端子接法的基礎(chǔ)上，先設(shè)計(jì)出I／O接線圖，后進(jìn)行安裝接線，這樣既將PLC的I／O回路搞清楚了，又避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)裝置及內(nèi)嵌設(shè)備內(nèi)部I／O接線回路的模糊不清，亦可培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)、安裝及理論聯(lián)系實(shí)際等能力，可謂一舉多得。

4 系統(tǒng)調(diào)試

圖4 多功能PLC實(shí)踐教學(xué)裝置之一

為了測(cè)試上述多功能PLC實(shí)踐裝置的主要功能，除利用多功能板進(jìn)行PLC I／O接線以提供PLC輸入信號(hào)和PLC輸出指示外，還進(jìn)行了功能測(cè)試，測(cè)試證明設(shè)計(jì)符合功能要求，圖4即為當(dāng)時(shí)功能測(cè)試時(shí)的照片之一。圖5給出了系統(tǒng)主要功能測(cè)試程序［7－8］，觸摸屏組態(tài)及變頻器參數(shù)設(shè)置此處省略。

5 結(jié)束語

20套多功能PLC實(shí)踐教學(xué)裝置，作為自制儀器設(shè)備，經(jīng)過兩期建設(shè)，共用經(jīng)費(fèi)28多萬元（含計(jì)算機(jī)），并經(jīng)校設(shè)備處和學(xué)院共同邀請(qǐng)的專家組驗(yàn)收，獲得了優(yōu)秀評(píng)價(jià)。該裝置具有多功能、性價(jià)比高、靈活性好、通用性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，既節(jié)省了較多的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，又可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等的教學(xué)需求，靈活選擇元件設(shè)備，構(gòu)建相應(yīng)的控制系統(tǒng)。該裝置經(jīng)過了多班級(jí)多人次的課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)使用，使用表明取得了很好的教學(xué)效果。

圖5 系統(tǒng)主要功能測(cè)試程序

在此基礎(chǔ)上，我校與三菱電機(jī)自動(dòng)化公司共建的PLC實(shí)驗(yàn)室添置的分別用于過程控制、網(wǎng)絡(luò)控制、運(yùn)動(dòng)控制的Q系列PLC已經(jīng)到位，擬將PLC與工業(yè)控制中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及控制等技術(shù)融合在一起，建設(shè)新的平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信等，涉及到現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、DCS過程控制、位控、檢測(cè)、先進(jìn)自動(dòng)化加工、監(jiān)控等［9］，將會(huì)在實(shí)踐教學(xué)及自動(dòng)化人才培養(yǎng)方面奠定更好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

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