基于PLC的“可視化技能訓(xùn)練支援系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)

文/曹拓

1 引言

“職業(yè)院校學(xué)生技能的有效訓(xùn)練”一直是困擾一線教師的一個(gè)難題。以“機(jī)電設(shè)備組裝的技能訓(xùn)練”為例，在訓(xùn)練過程中的問題主要體現(xiàn)在機(jī)電設(shè)備品種眾多，各個(gè)設(shè)備的安裝步驟和使用的零部件也各不相同；組裝操作過程繁瑣、難度大，學(xué)生無法100%防止失誤，而這些失誤僅靠教師一個(gè)人又無法全面、有效的把控。為此，本文提出了基于PLC的“可視化技能訓(xùn)練支援系統(tǒng)”，下面將從系統(tǒng)組成及工作原理、硬件選型、軟件設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行說明。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

文中介紹的“可視化技能訓(xùn)練支援系統(tǒng)”目前適用于YL-235A光機(jī)電一體化設(shè)備物料盤、機(jī)械手、皮帶輸送機(jī)的組裝技能訓(xùn)練。該系統(tǒng)由組裝操作指示書、觸摸屏和配有指示燈、光電傳感器的零部件貨架構(gòu)成，從以下兩個(gè)方面輔助學(xué)生完成組裝技能訓(xùn)練。

2.1 取出正確的零部件

使用時(shí)，學(xué)生只需在觸摸屏上選擇要組裝的設(shè)備，觸摸屏上就會(huì)顯示出該設(shè)備當(dāng)前工序要準(zhǔn)備的零部件及數(shù)量等圖文信息；同時(shí)貨架上存儲(chǔ)該零部件對(duì)應(yīng)位置的指示燈點(diǎn)亮，指示學(xué)生從該位置取出；在取出零部件時(shí)（通過光電傳感器檢測），該位置的指示燈熄滅，觸摸屏上更新顯示下一所需零部件的圖文信息，同時(shí)貨架上存儲(chǔ)下一零部件對(duì)應(yīng)位置的指示燈點(diǎn)亮。

2.2 使用正確的方法組裝設(shè)備

當(dāng)學(xué)生取出當(dāng)前組裝工序所需的所有零部件后，在其前方的觸摸屏上將顯示組裝固定部位、順序等詳細(xì)的指示，同時(shí)點(diǎn)亮需要使用的工具所在位置的指示燈，學(xué)生使用該工具完成安裝放回該位置后（通過光電傳感器檢測），下一個(gè)要使用的工具所在位置的指示燈點(diǎn)亮，從而確保學(xué)生能夠正確掌握每個(gè)零部件的安裝順序并正確區(qū)分使用工具。

3 系統(tǒng)硬件選型

3.1 輸入/輸出設(shè)備

輸入設(shè)備選擇歐姆龍E3Z-R61回歸反射型光電傳感器，輸出設(shè)備選擇DC24V的LED信號(hào)燈。

3.2 觸摸屏

觸摸屏是“可視化技能訓(xùn)練支援系統(tǒng)”的重要組成部件，根據(jù)支援系統(tǒng)的控制要求在選擇觸摸屏?xí)r，主要從能否提供“簡單靈活的可視化操作界面設(shè)計(jì)”及“豐富、生動(dòng)的多媒體畫面”這兩個(gè)方面來考慮。據(jù)此，本系統(tǒng)選用昆侖通態(tài)mcgsTpc嵌入式一體化觸摸屏TPC7062K。

3.3 PLC選型及接線

PLC是整個(gè)“可視化技能訓(xùn)練支援系統(tǒng)”的核心，根據(jù)支援系統(tǒng)的實(shí)際控制要求，可知本系統(tǒng)中組裝物料盤需要2種部件、機(jī)械手需要9種部件、皮帶輸送機(jī)需要14種部件。同時(shí)這三種設(shè)備的組裝需要使用4種螺釘，而這些螺釘及部件需要使用3種不同的內(nèi)六角扳手及1把尖嘴鉗進(jìn)行緊固。

為此，可確定所有部件及工具在貨架上的位置指示需要33個(gè)指示燈；而三種設(shè)備零部件取出的確認(rèn)可采用共用光電傳感器的方式進(jìn)行檢測，共需要20個(gè)光電傳感器。固本系統(tǒng)選用FX3U-48MR/ES-A型PLC作為控制單元，同時(shí)選用FX2N-16EYR擴(kuò)展PLC的輸出端子。最終進(jìn)行I/O地址分配和PLC內(nèi)部軟元件分配，具體的輸入、輸出接線不再贅述。

關(guān)于觸摸屏與PLC之間的通訊方式，本系統(tǒng)通過FX3U-485-BD功能擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC的通訊。

4 控制程序設(shè)計(jì)

本支援系統(tǒng)軟件由PLC控制軟件和MCGS組態(tài)軟件兩個(gè)部分組成。PLC控制軟件采用三菱GX Developer編程軟件完成各控制程序的編寫和調(diào)試，觸摸屏監(jiān)控程序采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。

4.1 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

PLC控制軟件設(shè)計(jì)可采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、順序功能圖設(shè)計(jì)法等，由于順序功能圖設(shè)計(jì)法是按照工藝預(yù)先規(guī)定的順序，以步為核心，以各步之間的轉(zhuǎn)換條件為觸發(fā)信號(hào)，以各步對(duì)應(yīng)的動(dòng)作功能為驅(qū)動(dòng)輸出，從首步開始一步一步設(shè)計(jì)程序的方法，適用于帶有跳轉(zhuǎn)和循環(huán)的自動(dòng)控制程序的設(shè)計(jì)，所以本系統(tǒng)采用順序功能圖設(shè)計(jì)法。

本支援系統(tǒng)PLC控制軟件由1個(gè)梯形圖塊和2個(gè)SFC塊程序組成。其中1個(gè)SFC塊程序用于實(shí)現(xiàn)物料盤、機(jī)械手、皮帶輸送機(jī)各設(shè)備組裝的具體操作指示，另1個(gè)SFC塊程序則用于實(shí)現(xiàn)各設(shè)備零部件回收的指示。最終，在SFC塊中采用選擇序列、跳轉(zhuǎn)及循環(huán)結(jié)構(gòu)完成本系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)。

4.2 MCGS監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

本支援系統(tǒng)觸摸屏監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，通過MCGS組態(tài)軟件按照如下流程完成：

（1）建立工程項(xiàng)目；

（2）通過用戶窗口設(shè)置人機(jī)交互界面；

（3）定義數(shù)據(jù)對(duì)象，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；

（4）動(dòng)畫連接；

（5）設(shè)備連接，選定與設(shè)備匹配的設(shè)備構(gòu)件。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合系統(tǒng)控制要求分析，確定觸摸屏監(jiān)控畫面有6個(gè)，包括：登錄、選擇組裝設(shè)備、設(shè)備組裝操作指示、選擇回收設(shè)備、零部件回收操作指示、操作信息統(tǒng)計(jì)界面。在界面中，主要采用的構(gòu)件有標(biāo)簽、標(biāo)準(zhǔn)按鈕、位圖、動(dòng)畫顯示、歷史表格。其中，在設(shè)備組裝操作指示界面中零部件安裝位置及方向的指示，分別通過MCGS軟件中“標(biāo)簽”構(gòu)件的閃爍及移動(dòng)效果屬性實(shí)現(xiàn)。在操作信息統(tǒng)計(jì)界面中關(guān)于學(xué)生訓(xùn)練過程中操作時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，通過歷史表格并采用連接MCGS歷史數(shù)據(jù)庫變量實(shí)現(xiàn)對(duì)指定歷史記錄的顯示和統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)語

本文介紹了基于MCGS和PLC的“可視化技能訓(xùn)練支援系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可以讓學(xué)生正確的選擇和使用零部件，在學(xué)生技能訓(xùn)練初期，有效地減輕教師的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，通過統(tǒng)一組裝操作方式及流程，也為進(jìn)一步的改善提供了契機(jī)。例如，當(dāng)所組裝完成的設(shè)備不良集中在特定部位時(shí)，而這一問題又與學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)成正比，就可以進(jìn)一步分析熟練學(xué)生與新手學(xué)生的技能差異，進(jìn)而有針對(duì)性的向新手學(xué)生傳授不足的技能。