基于PLC機電一體化的系統(tǒng)實踐平臺設計與實現(xiàn)

韓江桂 黃家寧

摘 要 文章介紹了基于PLC的機電一體化系統(tǒng)教學實踐平臺，論證了其工作原理、組成部分與功能，說明了軟、硬件開發(fā)及網(wǎng)絡通訊的實現(xiàn)，以交通信號燈系統(tǒng)為例闡明了教學效果，對于打破傳統(tǒng)實驗教學模式實現(xiàn)機電一體化創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)具有良好的應用前景。

關鍵詞 PLC 機電一體化 教學實踐

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.05.027

Abstract This paper introduces the teaching practice platform of Mechatronics System Based on PLC， demonstrates its working principle， components and functions， illustrates the development of soft and hardware and the realization of network communication. The teaching effect is illustrated by the traffic signal light system， and the innovation practice of mechanical and electrical integration is realized by breaking the traditional experimental teaching model. The link has a good application prospect.

Keywords PLC； Mechatronics； teaching practice

0 前言

機電一體化技術(shù)是機械、微電子、信息和控制等技術(shù)的有機融合與相互滲透，涉及機械、電子、傳感檢測、信號處理、伺服驅(qū)動、軟件編程等相關知識，是多學科交叉綜合的技術(shù)密集型課程。[1]該課程由于涉及多個領域，傳統(tǒng)的灌輸教學模式已經(jīng)適應不了課程本身的發(fā)展，因而急需探索新的教學方法和模式。[2]實驗教學是高等教育教學的一個重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生實踐能力的重要途徑，是教學工作的重要組成。[3]實驗教學又是增加感性認識、鍛煉學生動手能力和應用能力的重要環(huán)節(jié)。機電一體化課程的實驗教學較為零散，實驗設備也相對獨立，不能滿足“一體化”要求。零散的實驗教學課程難以滿足知識系統(tǒng)化的目的，同時弱化了實驗教學環(huán)節(jié)鍛煉學生動手能力的作用。[4]PLC技術(shù)即可編程邏輯控制器，又稱PLC電頻控制技術(shù)，隨著當今工業(yè)水平的快速發(fā)展，PLC技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于多個行業(yè)，其具有較強的環(huán)境適應能力，系統(tǒng)構(gòu)成相對靈活，便于應用，因此備受設計人員青睞。[5，6]因而本文設計開發(fā)了一套基于PLC的機電一體化系統(tǒng)教學實踐平臺，讓學生自主開發(fā)實驗項目，對培養(yǎng)學生機電一體化的創(chuàng)新思維方式和實踐能力具有深遠的意義和實用價值。

1 教學實踐平臺的設計

機電一體化系統(tǒng)教學實踐平臺的設計原則為：為學生提供一個自主設計開發(fā)平臺，可自行學習與考核，靈活便捷。實踐平臺由主體部分、開關量元器件、模擬量元器件、輔助工具、電源部分以及其他元件組成，各組成部分及其作用如圖1所示。

實踐平臺的主體部分由可編程邏輯控制器（PLC）[7，8]、微機、STEP 7-MicroWIN V4.0 SP9軟件和PLC編程電纜組成。

PLC：型號為西門子S7—200 eCPU224 AC/DC/RLY，是機電系統(tǒng)中信息的運算和處理的核心，可以通過改變PLC的程序來控制機電系統(tǒng)實現(xiàn)不同的功能；

微機：型號為超越E760，是PLC編程、編譯、調(diào)試的主要場所；

STEP 7-MicroWIN V4.0 SP9：是編寫西門子PLC[9，10]運行程序的主要軟件，所有程序的編寫、編譯、調(diào)試在該軟件上完成；

PLC編程電纜：型號為USB—PPI RS485，其作用是將PLC端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電腦端所需要的格式的數(shù)據(jù)。

開關量部分主要由自復位式按鈕開關、自鎖式按鈕開關、急停開關、空氣開關、船形開關、蜂鳴器、斷路器、交流接觸器、熱繼電器等元件組成。模擬量部分主要由伺服電機、步進電機、伺服驅(qū)動器、步進驅(qū)動器、傳感器，三相異步電機等元件組成。電源部分主要提供三種電壓的電源，分別為380V，220V和24V。輔助工具主要包括剝線鉗、萬用表、焊錫絲、電烙鐵、游標卡尺、尖嘴鉗等。

2 交通信號燈設計實例

2.1 方案設計

應用上述教學實踐平臺可以開展多種實驗訓練，交通信號燈設計作為典型實例檢驗其教學效果，交通信號燈設計開發(fā)原理簡單，易于理解且貼近生活實際。

交通信號燈的工作模式分為自動控制、手動控制，遇到突發(fā)情況時可以手動靈活控制交通燈而不至于影響交通。自動控制下的交通信號燈為PLC控制交通信號燈[11]的運轉(zhuǎn)，手動控制為按鈕開關控制交通信號燈。手動控制時可以出現(xiàn)東西方向與南北方向都亮黃燈、紅燈的情況，但不能出現(xiàn)東西和南北都亮綠燈的情況，因此，東西方向的綠燈與南北方向的綠燈要互鎖。根據(jù)以上要求選擇的器材見表1。

2.2 電路原理圖設計

交通信號燈分為自動手動兩種工作模式，因而必須要至少兩組獨立的電路。手動工作時必須保證不同方向的綠燈不能同時亮，所以不同方向的綠燈必須為互鎖，同一方向的兩個相同顏色的指示燈為并聯(lián)。設計的電路原理圖如圖2所示。

2.3 程序設計

當S0.0閉合時，交通信號燈處于自動工作模式，此時東西方向亮紅燈，南北方向亮綠燈。25秒后，南北方向綠燈熄滅，黃燈亮。5秒后，南北方向黃燈熄滅，紅燈亮，東西方向紅燈熄滅，綠燈亮。25秒后，東西方向綠燈熄滅，黃燈亮。5秒后，東西方向黃燈熄滅，紅燈亮，南北方向紅燈熄滅，綠燈亮。之后以此為周期循環(huán)。當把急停按下后，PLC輸出觸點全部斷電，所有指示燈熄滅，再把S0.0斷開，此時切換成手動模式。手動模式時，東西方向綠燈與南北方向綠燈要互鎖。

當把急停開關恢復到初始狀態(tài)，把S0.0切換為閉合時，手動模式切換成自動模式。所有同一方向的兩組指示燈均為并聯(lián)。各元器件控制信號見表2所示。

2.4 模擬系統(tǒng)實現(xiàn)

圖3所示為交通信號燈外觀實物圖。元器件都固定在環(huán)氧板上，環(huán)氧板的正面為各元件的外表，背面是所有的連接線路。環(huán)氧板正面最上方是PLC，PLC下方是4組個指示燈，每組按從左到右綠黃紅的順序排列，指示燈所處的方向按上北下南，左西右東排列。

指示燈左邊從上往下依次為220V插座，自動手動切換開關和急停開關。急停開關右邊第一組綠黃紅按鈕為南北方向手動控制開關，第二組為東西方向手動控制開關。

交通信號燈為自動工作模式時，船形開關為1狀態(tài)時，南北方向亮紅燈，東西方向亮綠燈。圖4（a）所示25秒后，東西方向綠燈熄滅，黃燈亮。圖4（b）所示5秒后，交通信號燈東西方向黃燈熄滅，紅燈亮，南北方向紅燈熄滅，綠燈亮。圖4（c）所示，25秒后，南北方向綠燈熄滅，黃燈亮，然后繼續(xù)循環(huán)。

3 結(jié)論

（1）交通信號燈的設計實驗現(xiàn)象明顯、特征鮮明，貼近實際，便于學習人員掌握與理解，教學訓練效果顯著；通過交通信號燈的開發(fā)實驗，檢驗了所建立的機電一體化系統(tǒng)教學實踐平臺的實用性。

（2）機電一體化專業(yè)是一門理論與實踐結(jié)合緊密的工程專業(yè)，要求學生不但要掌握好理論知識，還要有較強的動手能力和創(chuàng)新能力。本文建立的教學實踐平臺靈活自主性強，學習人員可以自行開發(fā)設計，在機電一體化實踐環(huán)節(jié)中必將發(fā)揮重要的作用，取得良好的效益。

參考文獻

[1] 石復習，王美麗.“機電一體化系統(tǒng)設計”課程要點的動畫呈現(xiàn)方法探索[J].新課程研究（中旬刊），2016（12）：65-67.

[2] 俞慶，何亞峰，劉春節(jié)等.基于研究性學習的“機電一體化系統(tǒng)設計”課程教學改革[J].裝備制造技術(shù)，2016（8）：257-259.

[3] 許焰，朱宗銘，梁亮等.“機電一體化系統(tǒng)設計”課程實驗分級教學內(nèi)容設計及考核模式改革[J].長沙大學學報，2016（30）：149-152.

[4] 李琦，王基.《機電一體化系統(tǒng)設計》課程教學改革與實踐[J].高等教育研究學報，2010（1）：100-101.

[5] 向曉漢，黎雪芬，系茂龍.西門子PLC完全精通教程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2017.6.

[6] 劉振全，王漢芝，楊坤.西門子PLC編程技術(shù)及應用案例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2016.10.

[7] 姜新橋，石建華.PLC 應用技術(shù)項目教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[8] 國家標準局.電氣制圖及圖形符號國家標準匯編[M].北京：中國標準出版社，1989.

[9] 易泓可.電氣控制系統(tǒng)設計基礎與范例（2 版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[10] 廖常初.PLC基礎及應用（2 版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[11] 郁漢琪.電氣控制與可編程控制器應用技術(shù)（2 版）[M].南京：東南大學出版社，2009.