人技“具身”型PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)及教學(xué)應(yīng)用

苗沛沛，張希

（江蘇省連云港中等專業(yè)學(xué)校，江蘇連云港，222000）

1 研究背景

《可編程控制器技術(shù)及應(yīng)用》課程來源于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的控制、運(yùn)行、技術(shù)改造、維護(hù)管理等工作任務(wù)，是中高職電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的一門專業(yè)實(shí)習(xí)課程。PLC 實(shí)訓(xùn)課程通常采用理體一體化和項(xiàng)目式實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式，因此，PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置是支持學(xué)生實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)硬件支撐。我校原來采用三菱PLC 實(shí)驗(yàn)臺(tái)，使用固定面板和專用實(shí)驗(yàn)接頭，具有接線方便、安全等優(yōu)點(diǎn)為，但不可避免地形成了功能單一、操作不便，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目少、不能靈活組合，與工業(yè)現(xiàn)場和工程項(xiàng)目脫節(jié)、與實(shí)際應(yīng)用不同步，檢修、維護(hù)不便等現(xiàn)實(shí)困境。一方面導(dǎo)致PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量很難保證，另一方面，現(xiàn)有的基于“離身”認(rèn)知的PLC 實(shí)訓(xùn)設(shè)備無法有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)技能的遷移應(yīng)用。出現(xiàn)了部分學(xué)生畢業(yè)后到工業(yè)現(xiàn)場無從下手的現(xiàn)象。隨著“具身認(rèn)知”理論逐漸深入與擴(kuò)展，為新型人技“具身”型PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)帶來了全新的機(jī)遇。針對(duì)上述困境，基于電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)人才培養(yǎng)方案、PLC 實(shí)訓(xùn)課程要求、學(xué)生認(rèn)知規(guī)律以及技能形成規(guī)律，配套開發(fā)一款基于人技具身關(guān)系的新型PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置，是中高職PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)的重要支撐。

2 人技“具身”型PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 設(shè)計(jì)原理

人技“具身”型PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置是一種創(chuàng)新的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)環(huán)境生態(tài)，基于電子技術(shù)應(yīng)用、電氣控制與運(yùn)行等多學(xué)科集成，更加關(guān)注職校生的身體在場、感知、參與，該實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)盡可能讓職校生身臨其境，“吞噬”感知體驗(yàn)，有效調(diào)動(dòng)身心參與，是培養(yǎng)學(xué)生工程思維、安全意識(shí)、工匠精神等核心素養(yǎng)的重要場所。

人技“具身”型PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置可直觀地進(jìn)行PLC實(shí)際應(yīng)用模擬實(shí)訓(xùn)和實(shí)物控制實(shí)訓(xùn)，主要采用開放式、模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)優(yōu)勢：一是元件布局合理，主機(jī)、邏輯控制區(qū)、變頻器控制區(qū)等相對(duì)獨(dú)立，模塊種類豐富，包括電源、PLC、觸摸屏、電機(jī)、溫控、氣動(dòng)、電梯、十字交通燈、運(yùn)料小車等工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備模擬實(shí)訓(xùn)對(duì)象，師生可根據(jù)課程要求獨(dú)立使用某個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目模塊進(jìn)行單獨(dú)實(shí)驗(yàn)，又可與其他設(shè)備組合起來進(jìn)行聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)，從基礎(chǔ)到綜合、從易到難，操作方便，擴(kuò)展性強(qiáng)；二是組合靈活，每個(gè)部件都可獨(dú)立拆卸，維護(hù)方便，更換便捷，根據(jù)技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、實(shí)訓(xùn)要求等對(duì)部件進(jìn)行更新?lián)Q代，使實(shí)訓(xùn)設(shè)備不會(huì)被淘汰。

在這個(gè)裝置中，職校生與PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置之間的關(guān)系實(shí)際上是雙向建構(gòu)互利共生的：一方面，職校生在PLC綜合實(shí)訓(xùn)裝置中學(xué)習(xí)和發(fā)展；另一方面，職校生也在不斷促進(jìn)實(shí)訓(xùn)裝置的重塑。從這一意義上來說，PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置是突破“機(jī)械”隱喻、可更新、可拓展的“有機(jī)體”，其構(gòu)建是一個(gè)自適應(yīng)的生成過程。

■2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由德國西門子S7-1200 系列的PLC（CPU1214C DC/DC/DC）、昆侖通態(tài)MCGS 觸摸屏HMI（TPC1061Ti）、西門子V20 型變頻器、模擬控制實(shí)訓(xùn)對(duì)象、實(shí)訓(xùn)仿真教學(xué)軟件、工控組態(tài)軟件、編程計(jì)算機(jī)等組成，主要硬件選型如表1 所示。

表1 PLC綜合實(shí)訓(xùn)裝置硬件選型

圖1 PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)圖

（1）可編程控制器PLC 選型：西門子S7-1200 系列

PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置中的核心部件采用了德國西門子PLC的S7-1200 系列，CPU 型號(hào)選用1214C DC/DC/DC，CPU將集成電源、微處理器、輸入和輸出電路組合到設(shè)計(jì)緊湊的外殼中形成了功能強(qiáng)大的PLC。S7-1200 提供了多種信號(hào)板和信號(hào)模塊可以給CPU 增加I/O，具有4 個(gè)數(shù)字量I/O 和1路模擬量輸出的SB，極大增強(qiáng)了CPU 的擴(kuò)展能力。

西門子S7-1200 系列主要用于處理機(jī)械設(shè)備制造和工業(yè)現(xiàn)場的開環(huán)、閉環(huán)控制任務(wù)，適用于廣泛的自動(dòng)化控制，其應(yīng)用多用于復(fù)雜自動(dòng)化任務(wù)，如物料傳送、金屬加工機(jī)械、混合系統(tǒng)等等。

（2）人機(jī)界面：MCGS 觸摸屏

實(shí)訓(xùn)裝置采用了昆侖通態(tài)MCGS（Monitor and Control Generated System）觸摸屏HMI（TPC1061Ti），工作電壓24V，MCGS 工控組態(tài)軟件基于 Windows 平臺(tái)運(yùn)行，能編輯形象直觀的組態(tài)棒圖，按照控制要求進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、圖像監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)PLC 控制過程的可視化監(jiān)測，動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)訓(xùn)教學(xué)。同時(shí)通過對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理，以動(dòng)畫顯示、流程控制、報(bào)警處理和報(bào)表輸出等方式輸出信息。

（3）變頻器選型：西門子V20

該裝置變頻器選用西門子公司V20，輸出功率覆蓋 0.12 kW～30kW，具有 USS 和MODBUS RTU 通信端子、7.5 kW～30 kW 變頻器集成制動(dòng)單元，符合電磁兼容性（EMC）C1/C2 等級(jí)。V20 變頻器內(nèi)置應(yīng)用宏與連接宏，無需連接主電源即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)載入，穩(wěn)定性強(qiáng)，易于使用。

（4）通訊模塊：RS232、RS485

基于S7-1200 系列PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置提供了兩種通信（CM，Communication Module）模塊，即RS232 和RS485，S7-1200 的CPU 最多支持3 個(gè)通信模塊，各CM連接在CPU 的左側(cè)（或連接到另一CM 的左側(cè)）。實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)中，將PLC 自帶的網(wǎng)線下載口，PLC 輸入端口通過DB25針接口、線路中涉及USB 口、串口都接到通信模塊板上，再將通信模塊安裝在控制柜右側(cè)板上，網(wǎng)口接網(wǎng)線進(jìn)行程序下載、上位機(jī)與各設(shè)備之間的通信，下載選用的連接線需具備屏蔽功能。

■2.3 TIA 博途V15 編程軟件

PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置選用的西門子公司發(fā)布的編程軟件為TIA portal 博途V15，是一款統(tǒng)一工程組態(tài)及軟件項(xiàng)目環(huán)境的全集成自動(dòng)化軟件。作為中高職自控學(xué)生，安裝、操作、下載、熟練使用博圖軟件是必備的基礎(chǔ)技能之一。安裝時(shí)，因?yàn)榘ㄜ浖头抡妫湔加每臻g較為龐大（7G 左右），當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)含其他第三方軟件可能導(dǎo)致安裝不成功，所以要盡量純凈安裝，切記，不能開啟任何殺毒軟件；使用中，添加對(duì)應(yīng)的主機(jī)型號(hào)（S7-1200_ CPU1214C DC/DC/DC_6ES7 214-1AG40-OXBO），通過軟件編程，學(xué)生不僅可以直觀、快速地調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)，還能夠?qū)崟r(shí)在線狀態(tài)監(jiān)控。

■2.4 技術(shù)性能參數(shù)

基于S7-1200 系列PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置技術(shù)性能參數(shù)符合國家電工電子類實(shí)訓(xùn)基地儀器設(shè)備配備標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示。裝置整體外形尺寸長為1000mm、寬為5000mm、高為1800mm，裝置容量＜1.5kVA，重量120Kg，工作環(huán)境的溫度一般在-10℃～+40℃之間，相對(duì)濕度＜85%（25℃），輸入電源采用三相四線制 380V±10%，頻率為50Hz，電源輸出安裝漏電、過載及短路保護(hù)器，并裝有漏電流、漏電壓保護(hù)等安全保護(hù)裝置，可靠性與集約性較高，不僅能夠保證設(shè)備安全運(yùn)行，還能保證PLC 和觸摸屏有效控制與傳輸信號(hào)。

表2 PLC綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置技術(shù)參數(shù)

3 具身教學(xué)應(yīng)用案例“裝配流水線模擬控制”

■3.1 “裝配流水線模擬控制”控制要求

具身教學(xué)應(yīng)用案例選取“裝配流水線模擬控制”實(shí)驗(yàn)?zāi)K，具體面板如圖2 所示，控制要求如下：按下啟動(dòng)開關(guān)按鈕ON，起動(dòng)整個(gè)傳送系統(tǒng)，工件開始在傳送帶移位。按下停止按鈕OFF，裝配流水線停止工作。

圖2 裝配流水線模擬控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K

（1）實(shí)訓(xùn)目的

了解移位寄存器指令（包括左移位，右移位指令）在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及編程方法；通過使用移位寄存器指令，簡化“裝配流水線模擬控制”系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。

（2）實(shí)訓(xùn)原理

移位寄存器指令操作過程：若在輸入端輸入一串脈沖信號(hào)，在移位脈沖作用下，脈沖信號(hào)依次移到移位寄存器的各個(gè)繼電器中，并將這些繼電器的狀態(tài)輸出，每個(gè)繼電器可以在不同的時(shí)間內(nèi)得到由輸入端輸入的一串脈沖信號(hào)。

（3）端口地址分配

“裝配流水線模擬控制”I/O 地址分配如表3 所示。

表3 “裝配流水線模擬控制”I/O地址分配表

■3.2 PLC 編程思路與HMI 組態(tài)

分析“裝配流水線模擬控制”可知，傳送帶共有十六個(gè)工位，工件從1 號(hào)位裝入，分別在A（操作1）、B（操作2）、C（操作3）三個(gè)工位完成三種裝配操作，經(jīng)最后一個(gè)工位后送入倉庫，其它工位均用于傳送工件?？梢?，ABC 三個(gè)燈模擬三個(gè)操作，DEFG 四組燈模擬四組傳送帶；工件從1號(hào)位裝入，分別在A（操作1）、B（操作2）、C（操作3）三個(gè)工位完成3 種裝配操作；經(jīng)過最后1 個(gè)工位后送到倉庫（H）。DEFG 均是3 個(gè)燈一組的模擬傳送帶，都用于傳送工件；工件在傳送帶上開始傳送，經(jīng)過DEFG 傳送后進(jìn)行A 操作，再經(jīng)過DEFG 傳送之后進(jìn)行B 操作，再經(jīng)過DEFG之后進(jìn)行C 操作，然后再經(jīng)過DEFG 傳送到倉庫。DEFG 一共三組，每組進(jìn)行完之后進(jìn)行一個(gè)操作ABC 然后到達(dá)倉庫。具體程序設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 “裝配流水線模擬控制”程序圖

在HMI 上組態(tài)模擬“裝配流水線”運(yùn)行過程，需要組態(tài)啟動(dòng)與停止按鈕，啟動(dòng)停止選用位狀態(tài)設(shè)定元件，具體的“裝配流水線”組態(tài)界面如圖4 所示。在HMI 人機(jī)交互過程中，設(shè)計(jì)與模擬運(yùn)行過程的可視化畫面有助于提高職校生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、理解演繹和學(xué)習(xí)效果。

圖4 “裝配流水線”監(jiān)控畫面組態(tài)

■3.3 接線圖

圖2 中上框中的A～H 用LED 發(fā)光二極管模擬動(dòng)作輸出，在系統(tǒng)接線時(shí)下框中的A、B、C、D、E、F、G、H 插孔分別接主機(jī)的輸出點(diǎn)Q0.0、Q0.01、Q0.02、Q0.03、Q0.04、Q0.05、Q0.06、Q0.07，啟動(dòng)、移位及復(fù)位插孔分別接主機(jī)的輸入點(diǎn)X0、X1、X2，24V 接24V，COM 接GND。具體接線如圖5 所示。

圖5 “裝配流水線模擬控制”接線圖

4 小結(jié)

人技“具身”型PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)貼近工業(yè)現(xiàn)場，滿足職校生體驗(yàn)生產(chǎn)一線崗位的現(xiàn)實(shí)需求，賦予了職校生身臨其境的體驗(yàn)。一方面提供了豐富的模塊化感知覺形態(tài)，如多種綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K，拓展職校生多重、深度感知工業(yè)現(xiàn)場信息的能力。另一方面，使用MCGS 觸摸屏的人機(jī)界面，直觀、生動(dòng)、形象的畫面增強(qiáng)了知覺體驗(yàn)，使職校生全身心沉浸在人技“具身”型PLC 綜合實(shí)訓(xùn)裝置中，進(jìn)而促進(jìn)職校生對(duì)技能的探究，促進(jìn)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)越來越強(qiáng)烈，對(duì)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解越來越深刻，實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)效果越來越顯著。該裝置目前已投入使用一年，安全性、實(shí)用性以及可靠性均獲得認(rèn)可，具有一定應(yīng)用、推廣價(jià)值。