羅克韋爾PLC在電氣控制實踐教學(xué)改革中的應(yīng)用

趙建峰，高世平，劉 慧

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

由于信息、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)發(fā)展迅猛，知識與技術(shù)的更新?lián)Q代十分頻繁，而企業(yè)急需的是動手能力強(qiáng)，能解決實際問題的信息化、智能化學(xué)科交叉型應(yīng)用人才，因此人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位非常重要。在課程體系建立方面一定要兼顧基礎(chǔ)知識與最先進(jìn)科技知識的結(jié)合，即要扎牢基礎(chǔ)的根基又要掌握最先進(jìn)科技的發(fā)展成果與應(yīng)用[1]。

《電氣控制與PLC》是自動化專業(yè)一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)課程，其涵蓋了可編程序控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、氣動技術(shù)和觸摸屏技術(shù)等自動化技術(shù)的應(yīng)用。目前該課程主要是理論教學(xué)、PLC課程設(shè)計和電氣控制實習(xí)。期中各一周的PLC課程設(shè)計和電氣控制實習(xí)在時空上獨立開來，理論與實踐分離，缺少緊密聯(lián)系。因此，采用最新型的羅克韋爾自動化的系列PLC、變頻器和觸摸屏產(chǎn)品，升級改造現(xiàn)有的實驗臺，將機(jī)床電氣安裝、布線、PLC應(yīng)用、變頻器和觸摸屏自動化控制糅合在一起，更能滿足社會對具有創(chuàng)新能力和實踐能力的復(fù)合型自動化高級人才的需求，提高應(yīng)用型本科院校畢業(yè)生的就業(yè)能力。

項目教學(xué)，又稱基于項目的學(xué)習(xí)，包括內(nèi)容、情境、過程、評價四個要素。項目教學(xué)強(qiáng)調(diào)以工程實際為背景，打破學(xué)科知識的邏輯約束，按照工程需要的技術(shù)邏輯，建構(gòu)教學(xué)內(nèi)容[2]。電氣控制實踐教學(xué)項目法是一種以學(xué)生為主體、智能制造的加工單元數(shù)控機(jī)床為工程背景，教師為主導(dǎo)，以各項目內(nèi)容為主線，以任務(wù)目標(biāo)為驅(qū)動，從而實現(xiàn)分析問題、方案設(shè)計、項目實施及最終評價的教學(xué)方法。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，兩人一組，依照各個項目目標(biāo)，完成獨立設(shè)計、自主施工、現(xiàn)場調(diào)試及故障分析的全過程。按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化設(shè)計與出圖、合理布局、精心施工，與企業(yè)要求無縫對接。該項目教學(xué)法，極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，增強(qiáng)了分析問題和解決問題的能力，理論與實踐充分結(jié)合，學(xué)以致用，激發(fā)了創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

1 電氣控制實習(xí)課程目標(biāo)

該課程為校內(nèi)生產(chǎn)實習(xí)，是自動化專業(yè)綜合性的電氣實習(xí)，綜合了之前所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課等知識。通過實習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的電氣設(shè)計和安裝與調(diào)試動手能力，使他們所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合，并使所學(xué)的課程知識更完善、更扎實。該課程的教學(xué)目標(biāo)主要有：

（1）在數(shù)控機(jī)床電氣安裝與調(diào)試過程中，能夠利用所掌握的工程基礎(chǔ)和自動化專業(yè)知識，運用其理論和方法解決自動化工程生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床電氣等有關(guān)的復(fù)雜工程問題。

（2）利用所掌握的機(jī)床電氣基礎(chǔ)知識，設(shè)計與繪制典型機(jī)床電氣圖；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計數(shù)控機(jī)床常用電氣原理圖，完善數(shù)控機(jī)床的自動化電氣系統(tǒng)解決方案。

（3）根據(jù)設(shè)計方案，進(jìn)行機(jī)床電器板布局和走線設(shè)計；熟練利用電氣工具，完成機(jī)床電氣安裝；利用萬用表等工具完成電氣系統(tǒng)檢測與調(diào)試；實現(xiàn)電動機(jī)在工頻狀態(tài)下的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)以及兩臺電機(jī)的順啟逆?？刂啤?/p>

（4）在典型電氣安裝與調(diào)試的基礎(chǔ)上，完成羅克韋爾系列PLC、變頻器和觸摸屏的電氣設(shè)計與安裝；完成PLC與變頻器的軟件設(shè)計與調(diào)試，實現(xiàn)電動機(jī)的變頻速度控制；完成觸摸屏的界面設(shè)計與速度調(diào)試。

（5）能合理安排時間，按時完成電氣設(shè)計和安裝調(diào)試任務(wù)；能夠在團(tuán)隊中承擔(dān)相應(yīng)的工作，并能與其它成員協(xié)同合作。

（6）在實習(xí)過程中，能夠就機(jī)床電氣和PLC技術(shù)等問題與同學(xué)、老師及社會公眾進(jìn)行有效溝通和交流，繪制電氣原理圖，編寫PLC程序圖，撰寫實習(xí)報告，完成調(diào)試之后的綜合答辯。

從設(shè)計、安裝、編程到調(diào)試一體化的實習(xí)過程中，把理論與實踐有機(jī)地結(jié)合起來。并通過各個項目的依次、遞進(jìn)的設(shè)計與實現(xiàn)，使學(xué)生猶如置身于企業(yè)的生產(chǎn)制造過程中，使學(xué)生更有成就感和責(zé)任感，更能切身體會到學(xué)習(xí)對其自身和社會企業(yè)發(fā)展的重要意義，以提高學(xué)習(xí)的自覺性。

2 項目教學(xué)體系的構(gòu)建

南京工程學(xué)院自動化數(shù)控技術(shù)應(yīng)用中心，擁有自制典型機(jī)床電氣安裝、調(diào)試實驗臺24套，主要實現(xiàn)電動機(jī)在工頻狀態(tài)下的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)以及兩臺電機(jī)的順啟逆停等控制。主要是針對自動化和數(shù)控專業(yè)一周的教學(xué)實習(xí)。

2017年，我校與羅克韋爾自動化校企合作實驗室落地，作為其中智能制造的子項目，對24套實驗臺升級改造。

由于實驗臺增加了新的PLC設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容，2018年采用了新的教學(xué)大綱和實習(xí)計劃，由原來的一周改為兩周實習(xí)，同時服務(wù)于自動化、數(shù)控和機(jī)器人專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)。

3 項目教學(xué)的內(nèi)容與實現(xiàn)

3.1 項目教學(xué)計劃

由于學(xué)生在實訓(xùn)前已經(jīng)進(jìn)行過相應(yīng)課程的理論學(xué)習(xí)和實驗訓(xùn)練，項目教學(xué)相對課程實驗要有相應(yīng)的提高，即工程型、實踐性更強(qiáng)，更能貼近企業(yè)生產(chǎn)要求。教學(xué)改革后的實習(xí)計劃如表1所示。

表1 實習(xí)計劃Tab.1 Internship program

3.2 項目教學(xué)具體內(nèi)容

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和實習(xí)計劃，整個教學(xué)過程分四個項目進(jìn)行，即典型機(jī)床電氣設(shè)計、施工與調(diào)試；PLC硬件連接與軟件編程；變頻器編程與調(diào)試；觸摸屏界面設(shè)計與速度調(diào)試；最后項目驗收與答辯。每一個項目環(huán)節(jié)都配備有專業(yè)指導(dǎo)老師進(jìn)行實踐指導(dǎo)，各個項目環(huán)節(jié)既相互聯(lián)系，又層層提高，使其成為一個有機(jī)的整體。學(xué)生通過不斷修改整體實訓(xùn)方案，反復(fù)操作，對全過程有了較全面的理解和掌握，從而提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

3.2.1 典型機(jī)床電氣設(shè)計、施工與調(diào)試

該項目是實驗臺升級前的主要實習(xí)內(nèi)容，也是后續(xù)項目的硬件基礎(chǔ)和設(shè)計平臺。該項目主要分三個階段完成：

（1）根據(jù)實習(xí)任務(wù)，設(shè)計電動機(jī)工頻速度控制原理圖、施工圖。前期，學(xué)生選修過機(jī)床電氣設(shè)計和solidworks2014 electric軟件的練習(xí)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)課題要求正確設(shè)計、繪制原理圖，合理布置元器件，規(guī)范走線設(shè)計；生成連接線編號?、零部件信息及項目圖紙。

（2）正確使用常用電工工具，據(jù)圖施工。依據(jù)圖紙和端子號標(biāo)注，制作接線端子號碼管，端子號的使用要規(guī)范、正確并與圖紙嚴(yán)格一致；合理、規(guī)范布線，強(qiáng)電380V采用紅、黃、藍(lán)三色線走線，信號線采用綠色、黑色區(qū)分，便于安全檢查。正確連接交流接觸器、中間繼電器、變壓器和指示燈等設(shè)備。

（3）正確使用萬用表等檢測工具，依圖查線。由于實驗臺引入的是380V高壓線，安全檢查非常重要，其中重點檢查變壓器原、副邊的接線，不能接反；開關(guān)電源24V的連接，輸入與輸出不能接反；24V中間繼電器線圈不能接入220V高壓，否則會燒掉元件或炸裂；按鈕和信號燈的連接?？傊?，重點檢查電路的短路、斷路、380V和220V強(qiáng)電電壓，以及電器元件強(qiáng)弱電的混接。每位同學(xué)都要認(rèn)真檢查線路2遍以上，才能提請指導(dǎo)教師檢查和通電。

（4）實驗臺通電。線路檢查完成后，必須在教師的指導(dǎo)和陪同下一起上電。依照圖紙和上電順序，依次合上各路開關(guān)，并用萬用表測量各路電壓；仔細(xì)觀察實驗臺設(shè)備狀態(tài)，通過聽、聞、嗅等常用檢測方法，對可能發(fā)生的緊急情況果斷處理，并切斷電源。在檢查過程中，同學(xué)之間要相互配合，增強(qiáng)協(xié)調(diào)能力，提高檢測和故障分析能力。

（5）電動機(jī)工頻速度調(diào)試。線路檢查無誤后，通過啟動和停止按鈕，實現(xiàn)電機(jī)的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)等功能控制；實現(xiàn)兩臺電機(jī)的順序啟動逆序停止控制。

其中，調(diào)試失敗的主要原因在于中間繼電器的常開、常閉觸點邏輯混亂，使電動機(jī)的自鎖、互鎖功能無法實現(xiàn)，而這在前期的線路安全檢查中也是很難發(fā)現(xiàn)的。所以，實習(xí)過程中，學(xué)生必須要正確繪制原理圖、出圖，依圖施工、依圖檢查、依圖上電和調(diào)試，循循漸進(jìn)并環(huán)環(huán)相扣。指導(dǎo)教師也要嚴(yán)格把關(guān)，一個環(huán)節(jié)有問題，就不能進(jìn)行后序操作，并計入平時成績或終止實習(xí)，以保證實習(xí)的人身絕對安全性、嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范化操作。

3.2.2 PLC硬件連接與軟件編程

羅克韋爾最新款的Micro850 PLC，提供標(biāo)準(zhǔn)的24點輸入和48點輸出，并具有100kHz的高速計數(shù)器（HSC）輸入，便于電動機(jī)編碼器的速度檢測；提供USB編程端口、非隔離串口（用于RS-232和RS-485通信）和以太網(wǎng)接口，便于編程與調(diào)試；一體化編程組態(tài)軟件 CCW，即可實現(xiàn)PLC梯形圖編程、調(diào)試，又可以實現(xiàn) Micro850控制器、交流變頻器和圖形終端觸摸屏等系列機(jī)器設(shè)備的安裝、組態(tài)、連接和維護(hù)工作。

首先，學(xué)生在機(jī)房熟悉CCW編程軟件和繪制Micro850控制器及相關(guān)設(shè)備的接線圖；利用Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，設(shè)置控制器、變頻器和觸摸屏的通信參數(shù)和IP地址。然后，在實驗臺上依圖施工，并通過路由器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的物理連線。最后，下載PLC程序和參數(shù)，調(diào)試各設(shè)備之間聯(lián)網(wǎng)成功。

3.2.3 變頻器編程與調(diào)試

變頻器調(diào)試主要分為手動調(diào)試和變頻調(diào)試。

（1）手動調(diào)試。一是依照說明書，利用變頻器的控制面板，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，實現(xiàn)電動機(jī)的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)和速度控制。這是常規(guī)做法，比較繁瑣。二是利用CCW軟件和網(wǎng)絡(luò)通信，利用軟件的變頻器參數(shù)表格，直接設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，實時有效、即時反饋響應(yīng)值，非常簡單、方便。

（2）自動變頻調(diào)試。編寫相應(yīng)的PLC和變頻器程序，在程序中設(shè)置相應(yīng)的速度參數(shù)，如IP地址、參考速度、加速時間和減速時間等[3]。這些參數(shù)可以在電動機(jī)運行狀態(tài)在線監(jiān)控，其中電動機(jī)頻率參考電壓直接通過EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)寫入變頻器相應(yīng)存儲器，并由變頻器轉(zhuǎn)換為三相電壓驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)速度變頻控制。

3.2.4 觸摸屏界面設(shè)計與調(diào)試

在項目三中可以通過按鈕和指示燈實現(xiàn)電動機(jī)單一速度的正、反、?？刂疲诿摍C(jī)狀態(tài)下無法進(jìn)行轉(zhuǎn)速的顯示與修改。所以，圖形終端觸摸屏在流水線上非常重要，是人機(jī)交互的重要工具。

在前期項目的基礎(chǔ)上，設(shè)計觸摸屏的界面如圖1所示。對設(shè)定好的標(biāo)簽，正確建立與PLC地址和參數(shù)的關(guān)聯(lián)，以保證動作安全、有效。修改相應(yīng)的PLC程序，設(shè)置觸摸屏IP地址，通過Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)調(diào)試。

圖1 觸摸屏速度控制界面設(shè)計Fig.1 Speed control design of touch screen

該項目容易出現(xiàn)的問題主要有兩點：一是標(biāo)簽和相應(yīng)的參數(shù)比較多，容易關(guān)聯(lián)錯誤，造成觸摸屏的功能無效或邏輯錯誤。二是PLC、觸摸屏和變頻器之間的網(wǎng)絡(luò)通信有時會比較麻煩，容易找不到相應(yīng)的設(shè)備或IP地址丟失，但一旦設(shè)定好就很穩(wěn)定。這些問題主要和學(xué)生的操作熟練度有關(guān)，細(xì)心操作和多次訓(xùn)練，就能發(fā)現(xiàn)自己的粗心和不足，從而培養(yǎng)他們更嚴(yán)謹(jǐn)和更科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度。

所有項目完成后，學(xué)生答辯和撰寫實習(xí)報告。其中，重點說明設(shè)計、施工和調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，故障原因，以及如何解決問題的方法。在實習(xí)過程中，學(xué)生在充分理解并完成指定科目的基礎(chǔ)上，設(shè)計內(nèi)容是否有所外延，設(shè)計方法和實施手段是否創(chuàng)新或更高效，是教師引導(dǎo)和綜合評價的重要方向。

4 結(jié)束語

電氣控制實習(xí)是一個集多門課程知識為一體的綜合性實習(xí)，實踐性很強(qiáng)。通過電動機(jī)工頻、變頻自動控制設(shè)計，電氣圖繪制，常用電氣設(shè)備的安裝、調(diào)試，羅克韋爾自動化設(shè)備的一體化應(yīng)用，學(xué)生對電氣自動化有了一個全面理解和掌握。項目教學(xué)法不僅培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高了學(xué)生對電氣技術(shù)實際應(yīng)用的動手能力和創(chuàng)新能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、團(tuán)隊協(xié)作的工作作風(fēng)，使之更適應(yīng)現(xiàn)代社會人才的需求。