基于PLC的電氣自動(dòng)化綜合實(shí)訓(xùn)裝置開(kāi)發(fā)與實(shí)踐

摘 ?要：文章對(duì)當(dāng)前自動(dòng)化綜合實(shí)訓(xùn)裝置開(kāi)發(fā)情況進(jìn)行了研究，報(bào)告了開(kāi)發(fā)和實(shí)踐的現(xiàn)狀和技術(shù)背景。開(kāi)發(fā)以學(xué)生職業(yè)核心能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)了采用分離開(kāi)放模式，滿足控制電機(jī)應(yīng)用技術(shù)、PLC應(yīng)用技術(shù)、變頻器應(yīng)用技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用技術(shù)、人機(jī)界面與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、電氣自動(dòng)化系統(tǒng)集成等課程的實(shí)訓(xùn)裝置很有必要。裝置接近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有利于學(xué)生的動(dòng)手能力和操作技能培養(yǎng)，同時(shí)由于不需要對(duì)控制機(jī)構(gòu)端子進(jìn)行頻繁拆裝，減少了控制機(jī)構(gòu)的故障率，降低了實(shí)訓(xùn)裝置的維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：實(shí)訓(xùn)裝置;電氣自動(dòng)化技術(shù);綜合實(shí)訓(xùn)

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）14-0057-06

Abstract： The paper studies the current development of automation comprehensive training device， and reports the current situation and technical background of development and practice. It is necessary to develop a training device guided by the cultivation of students， ?professional core competence and designed with a separate and open mode to meet the courses of control motor application technology， PLC application technology， frequency converter application technology， servo drive application technology， man-machine interface and network control technology， electrical automation system integration and so on. The device is close to the industrial site， which is conducive to the cultivation of students， ?practical ability and operation skills. At the same time， for there is no need to disassemble and assemble the terminals of the control mechanism frequently， the failure rate of the control mechanism is reduced and the maintenance cost of the training device is reduced.

Keywords： training device; electrical automation technology; comprehensive training

0 ?引 ?言

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)滿足高素質(zhì)技術(shù)技能人才的主要環(huán)節(jié)，是學(xué)生培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐能力的主要途徑[1，2]。

目前，高職院?，F(xiàn)有實(shí)訓(xùn)裝置來(lái)源主要有兩種。第一種是從教儀企業(yè)直接購(gòu)買。教儀企業(yè)自身對(duì)滿足實(shí)訓(xùn)需要的片面理解和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，很多單功能實(shí)訓(xùn)設(shè)備中，大部分傳感器輸入信號(hào)都用按鈕代替，大部分輸出給執(zhí)行器件的信號(hào)都用指示燈代替，不能進(jìn)行復(fù)雜的自動(dòng)化動(dòng)作，而且一般結(jié)構(gòu)固定，選用的電器類型固定、接線固定，不允許學(xué)生隨意拆卸或組合，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)不能真正動(dòng)手操作，影響學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的提高。綜合實(shí)訓(xùn)裝置，通常是根據(jù)某一自動(dòng)控制系統(tǒng)，在滿足基本教學(xué)要求下進(jìn)行了簡(jiǎn)化、替代。由于設(shè)備的針對(duì)性強(qiáng)，所用電器類型有限，執(zhí)行機(jī)構(gòu)單一，控制方式固定，沒(méi)有涉及更寬泛的技術(shù)如觸摸屏技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制，氣動(dòng)控制技術(shù)以及聯(lián)網(wǎng)組態(tài)監(jiān)控技術(shù)等.不能幫助學(xué)生全面了解當(dāng)前市場(chǎng)的主流技術(shù)的綜合應(yīng)用。第二種是專員根據(jù)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容對(duì)實(shí)訓(xùn)裝置技術(shù)、性能要求，校企共同研發(fā)。伍波、馬忠麗等探討了實(shí)訓(xùn)裝置、實(shí)驗(yàn)箱的研制與開(kāi)發(fā)，提出了結(jié)合專業(yè)自身特點(diǎn)，聯(lián)合企業(yè)共同設(shè)計(jì)，滿足職業(yè)崗位能力需求的知識(shí)點(diǎn)、技能點(diǎn)和能力點(diǎn)的實(shí)訓(xùn)裝置[3，4]，為我們實(shí)訓(xùn)裝置研制提供了思路。

經(jīng)反復(fù)調(diào)研，我們選取一個(gè)典型的、綜合專業(yè)核心能力的智能洗車機(jī)系統(tǒng)作為自動(dòng)化綜合實(shí)訓(xùn)裝置，改實(shí)訓(xùn)裝置采用分離式設(shè)計(jì)，電氣安裝板與控制機(jī)構(gòu)通過(guò)端子連接，學(xué)生在進(jìn)行電氣安裝時(shí)不需要頻繁拆裝控制機(jī)構(gòu)端子，提高了控制機(jī)構(gòu)的使用壽命，降低了實(shí)訓(xùn)裝置的維護(hù)成本。圍繞此系統(tǒng)，構(gòu)建以職業(yè)核心能力培養(yǎng)為主線，按職業(yè)活動(dòng)從方案選擇、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣圖紙繪制、器件的選型和參數(shù)計(jì)算、電氣系統(tǒng)安裝、控制程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試步，編寫(xiě)設(shè)備調(diào)試指導(dǎo)書(shū)，操作手冊(cè)、維護(hù)說(shuō)明書(shū)全過(guò)程。設(shè)計(jì)從易到難，前后貫通原則，融入貫穿式實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，每次實(shí)訓(xùn)的成果都是下次實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)和知識(shí)準(zhǔn)備，所有實(shí)訓(xùn)課程的結(jié)束，此系統(tǒng)中的所有問(wèn)題都得以解決。從實(shí)訓(xùn)課程開(kāi)始到實(shí)訓(xùn)課程結(jié)束，學(xué)生自始至終都明白學(xué)習(xí)的目的，知識(shí)、技能前后之間的關(guān)系和邏輯，學(xué)生做完所有實(shí)訓(xùn)就完成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。貫穿式實(shí)訓(xùn)完全以學(xué)生為主體，注重學(xué)生實(shí)踐內(nèi)容連貫統(tǒng)一，較好地解決了實(shí)訓(xùn)內(nèi)容欠缺關(guān)聯(lián)，實(shí)訓(xùn)體系缺乏系統(tǒng)化、層次化、遞進(jìn)式的培養(yǎng)體系的問(wèn)題 ，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力、系統(tǒng)集成能力，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和解決實(shí)際問(wèn)題的能力起到了良好的作用，體現(xiàn)了“學(xué)以致用”的教育精髓[5，6]。

1 ?實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

本校電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)中開(kāi)設(shè)了控制電機(jī)應(yīng)用技術(shù)、PLC應(yīng)用技術(shù)、變頻器應(yīng)用技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用技術(shù)、人機(jī)界面與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、自動(dòng)化系統(tǒng)集成等課程。這些課程都需要實(shí)訓(xùn)操作，才能使學(xué)生獲取工程經(jīng)驗(yàn)，取得良好的教學(xué)效果。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)要能滿足這些自動(dòng)化專業(yè)核心課程實(shí)訓(xùn)要求，電氣設(shè)計(jì)、方案配置、系統(tǒng)安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)創(chuàng)新到工程管理能力貫穿培養(yǎng)全過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)職業(yè)能力的滲透式培養(yǎng)。實(shí)訓(xùn)裝置要滿足學(xué)生從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單一功能到綜合功能實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)[7]。實(shí)訓(xùn)裝置注重學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目連貫統(tǒng)一，解決課程間實(shí)訓(xùn)內(nèi)容欠缺關(guān)聯(lián)，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目缺乏系統(tǒng)化、層次化、遞進(jìn)式的問(wèn)題，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力、工程能力，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和解決實(shí)際問(wèn)題的能力起到了良好的作用，體現(xiàn)了“學(xué)以致用”的教育精髓。實(shí)訓(xùn)裝置要涉及自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常用的伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻電機(jī)、三相異步電機(jī)、單相電機(jī)、傳感器等專業(yè)知識(shí)，本文結(jié)合專業(yè)實(shí)際設(shè)計(jì)了一套洗車機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置作為自動(dòng)化綜合實(shí)訓(xùn)裝置。

實(shí)訓(xùn)裝置由底座、上端的支架構(gòu)成。底座部分安裝有電氣控制模塊，如斷路器、直流繼電器、交流接觸器，中間繼電器、開(kāi)關(guān)電源、PLC、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、端子排等。電氣控制模塊采用分離開(kāi)放模式，方便學(xué)生進(jìn)行安裝調(diào)試。上端的支架安裝有控制電機(jī)、同步輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?實(shí)訓(xùn)裝置電氣設(shè)計(jì)

2.1 ?系統(tǒng)電氣圖

根據(jù)控制電機(jī)應(yīng)用技術(shù)、PLC應(yīng)用技術(shù)、變頻器應(yīng)用技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用技術(shù)、人機(jī)界面與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等課程的要求，搭建了實(shí)訓(xùn)裝置的電氣控制系統(tǒng)，以三菱FX5U-80MT為主模塊搭載2塊擴(kuò)展模塊構(gòu)成控制器，控制6臺(tái)電機(jī)，觸摸屏作為PLC上位機(jī)。其中，洗車機(jī)噴淋機(jī)構(gòu)是一個(gè)三軸運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，Y軸由伺服電機(jī)控制、X軸由步進(jìn)電機(jī)控制、R軸由步進(jìn)電機(jī)控制。風(fēng)干系統(tǒng)通過(guò)變頻器控制三相異步電機(jī)，小車輸送系統(tǒng)由三相異步電機(jī)控制，噴淋系統(tǒng)由三相異步電機(jī)控制，每個(gè)控制對(duì)象可以獨(dú)立工作，通過(guò)端子排連接到控制器。多臺(tái)實(shí)訓(xùn)裝置通過(guò)以太網(wǎng)連接并設(shè)置一個(gè)主控PLC，可以進(jìn)行CC-LINK網(wǎng)絡(luò)控制各臺(tái)實(shí)訓(xùn)裝置，并監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。圖2、圖3為實(shí)訓(xùn)裝置的電氣系統(tǒng)圖。

2.2 ?I/O分配

分析控制要求，系統(tǒng)需要24個(gè)輸入點(diǎn)，25個(gè)輸出點(diǎn)，具體分配如表1所示。其中主PLC模塊控制3個(gè)三相異步電機(jī)，擴(kuò)展輸出模塊控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。小車位置由3個(gè)激光測(cè)距傳感器進(jìn)行測(cè)算，以便洗車機(jī)運(yùn)行時(shí)調(diào)整Y/X/R軸的位置。

3 ?PLC 程序設(shè)計(jì)

3.1 ?洗車機(jī)動(dòng)作工作流程

智能洗車機(jī)上電，檢查傳感器狀態(tài)，輸送托盤(pán)檢測(cè)是否有小車，如有輸送托盤(pán)運(yùn)送小車到達(dá)洗車工作點(diǎn)，開(kāi)始洗車，首先X軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行計(jì)算距離（此距離由超聲波測(cè)算得出）后停止，Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)R軸噴淋系統(tǒng)清洗車身左側(cè)運(yùn)行至車尾（車尾位置由頂部傳感器進(jìn)行檢測(cè)），R軸旋轉(zhuǎn)90°，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)噴淋系統(tǒng)清洗車尾（汽車寬度由超聲波測(cè)算出），清洗完車尾，R軸旋轉(zhuǎn)90°，由Y軸伺服電機(jī)帶動(dòng)R軸噴淋系統(tǒng)清洗車身右側(cè)運(yùn)行至車前，R軸旋轉(zhuǎn)90°，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)噴淋系統(tǒng)清洗車前，至此第一次清洗完成。而后可以根據(jù)需要進(jìn)行清水清洗和泡沫清洗選擇多種方式重復(fù)此前操作。動(dòng)作流程如圖4所示。

3.2 ?PLC 程序設(shè)計(jì)

分析洗車機(jī)控制的要求，洗車機(jī)的運(yùn)行適合采用了順序控制程序設(shè)計(jì)法編程洗車機(jī)的部分程序如圖5、圖6所示。但是在程序編寫(xiě)的過(guò)程，還要考慮的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

（1）如何通過(guò)3個(gè)測(cè)距傳感器測(cè)算出小車狀態(tài)。

（2）Y/X/R軸的運(yùn)動(dòng)控制。

4 ?觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸摸屏監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)采用三菱的GS系列觸摸屏，如圖7所示。設(shè)計(jì)有自動(dòng)畫(huà)面、手動(dòng)畫(huà)面、參數(shù)設(shè)計(jì)畫(huà)面，通訊監(jiān)控畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面。整個(gè)監(jiān)控畫(huà)面能實(shí)時(shí)顯示洗車機(jī)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)、傳感器狀態(tài)，能方便地進(jìn)行個(gè)電機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面的切換。可以通過(guò)界面進(jìn)行洗車機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置。

5 ?結(jié) ?論

該裝置是一套模擬洗車系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備，采用了市場(chǎng)上主流觸摸屏和PLC控制，便于學(xué)生與企業(yè)應(yīng)用對(duì)接，提高學(xué)生的適應(yīng)能力。它涵蓋了電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)所涉及的核心課程的知識(shí)及技能。自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生可以利用該裝置進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)。采用“典型性、可操作性”能力漸進(jìn)式架構(gòu)。子系統(tǒng)包含的知識(shí)、技能與專業(yè)核心技能有清晰的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)裝置中技術(shù)難點(diǎn)的不斷解決實(shí)現(xiàn)個(gè)人技能的不斷提升。

實(shí)踐證明，本綜合實(shí)訓(xùn)裝置功能完備，使用靈活方便、針對(duì)性強(qiáng)，立足專業(yè)特點(diǎn)、面向工程實(shí)際，具有很高的創(chuàng)新性和實(shí)用性，為專業(yè)綜合實(shí)踐提供了有力支撐，而且改實(shí)訓(xùn)裝置有效融入了高職現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試技能競(jìng)賽的全部功能，為學(xué)生科技創(chuàng)新、技能競(jìng)賽提供了實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，而且多套實(shí)訓(xùn)裝置通過(guò)CC-LINK進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信方面實(shí)訓(xùn)。

通過(guò)與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的此實(shí)訓(xùn)裝置，不但把市場(chǎng)上主流技術(shù)引入課堂，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面、系統(tǒng)工程實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的同時(shí)，還鍛煉了教師的科研能力。通過(guò)解決教學(xué)與工程中的一些實(shí)際問(wèn)題，讓教師能夠理論聯(lián)系實(shí)際，提高專業(yè)水平的機(jī)會(huì)，提升產(chǎn)教科融合水平，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 雷翔霄，唐春霞，徐立娟.項(xiàng)目貫穿式實(shí)踐教學(xué)體系改革與實(shí)踐——以高職電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)為例 [J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（2）：228-232.

[2] 曹錦江，陳桂，黃家才.智能制造背景下自動(dòng)化類專業(yè)綜合實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（3）：278-282.

[3] 毛佑南，吳萍.自動(dòng)控制模塊化實(shí)訓(xùn)裝置的研制與應(yīng)用 [J].硅谷，2010（24）：110+115.

[4] 李樹(shù)雄，呂玉明.自動(dòng)控制模塊化實(shí)訓(xùn)裝置的研制與應(yīng)用 [J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2008（15）：57-59.

[5] 程麗平，李保銀.以培養(yǎng)技能型自動(dòng)化人才為導(dǎo)向的實(shí)訓(xùn)室建設(shè)與實(shí)踐 [J].中國(guó)電力教育，2011（26）：139-140.

[6] 鄒心遙.創(chuàng)新能力導(dǎo)向的高職理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)室建設(shè) [J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（4）：225-228.

[7] 王宏彥.高職電氣自動(dòng)化專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)探索 [J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（24）：171-172.

作者簡(jiǎn)介：王宏彥（1978—），男，漢族，湖北潛江人，碩士研究生，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，工業(yè)系統(tǒng)控制等。