網(wǎng)孔型PLC 綜合實訓(xùn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計*

殷 歡 ，劉 曼

（江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

隨著我國自動化控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)今企業(yè)對機電人才的需求量不斷增加，對人才質(zhì)量的要求也不斷提高?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）是當今工業(yè)自動化領(lǐng)域的主流控制器，機電一體化技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、智能制造工程等專業(yè)均將PLC相關(guān)課程作為專業(yè)核心課程。為了培養(yǎng)學(xué)生的操作技能，提高學(xué)生的學(xué)習積極性，增加學(xué)生的動手機會，各類院校均會購買各種類型的實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備和裝置[1-3]。然而，原有PLC 實驗實訓(xùn)設(shè)備存在以下不足：第一，設(shè)備結(jié)構(gòu)封閉，實驗?zāi)K固定，實驗項目單一，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和設(shè)計能力[4-5]；第二，設(shè)備以模擬被控對象為主，項目調(diào)試過程不直觀，這樣結(jié)構(gòu)的實驗實訓(xùn)設(shè)備很難滿足高素質(zhì)技術(shù)技能人才的培養(yǎng)要求[6-7]。

近年來，高職教育人才培養(yǎng)模式進行了一系列改革，尤其在實踐教學(xué)方面，實訓(xùn)基地建設(shè)的重要性越來越顯著，實驗實訓(xùn)設(shè)備的購置、自制和升級改造也是各類院校實驗實訓(xùn)室建設(shè)的重點內(nèi)容[8-10]。在實訓(xùn)內(nèi)容上接近典型化、實用化、情景化、現(xiàn)代化，由單純的實驗實訓(xùn)型向生產(chǎn)型轉(zhuǎn)化是購買的實驗實訓(xùn)設(shè)備不易達到的，同時，改造升級和自制設(shè)備成本更低，更能鍛煉師生的專業(yè)技能，因此從設(shè)備穩(wěn)定安全工作、服務(wù)教學(xué)和經(jīng)濟效益角度出發(fā)，實訓(xùn)教學(xué)裝置的自制和改造升級必將更加適應(yīng)教學(xué)需要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本綜合實訓(xùn)裝置設(shè)計的基本思路：符合專業(yè)教學(xué)要求、保證電氣安全及滿足生產(chǎn)工藝要求?？傮w設(shè)計思路圍繞當前實訓(xùn)教學(xué)中存在的不足及需要增加的功能來進行設(shè)計，著力解決課程項目式教學(xué)、電氣安裝、整體布置及占地面積等方面問題。實訓(xùn)裝置主要由PLC 模塊、工業(yè)觸摸屏（HMI）、知識燈及按鈕模塊、運動模塊、模擬量模塊等組成，并配有必需的安全性設(shè)計（供電保護、PLC 輸入輸出保護），如圖1 所示。為便于展示內(nèi)部電氣線路及學(xué)生裝配練習，本實訓(xùn)裝置沒有采用傳統(tǒng)電氣控制柜將電氣線路組裝在封閉或半封閉金屬柜中的形式，而是采用了網(wǎng)孔架的形式，該方式占地面積更小，更有利于空間利用。

圖1 柜體整體設(shè)計

本實訓(xùn)裝置可實現(xiàn)PLC 編程與通信、上位機HMI 組態(tài)、運動控制、模擬量控制等內(nèi)容的實驗項目及電氣柜的設(shè)計與安裝、自動化設(shè)備安裝與調(diào)試、復(fù)雜自動化系統(tǒng)編程與調(diào)試等復(fù)雜實訓(xùn)項目，可根據(jù)課程需要自主選擇實驗或者實訓(xùn)項目。

2 方案實施

2.1 柜體外觀設(shè)計

網(wǎng)孔架上方為豎式網(wǎng)孔板，用于電氣線路裝配；下方為抽拉式工具箱，用于存放工具、元器件等；工具箱上方臺面可作為工作臺，用于擺放不便于垂直裝配或使用的元器件模塊。綜合考慮網(wǎng)孔架高度，預(yù)估網(wǎng)孔架大體布局及網(wǎng)孔板與工具箱的比例，保證正常運行時網(wǎng)孔架的安穩(wěn)和牢固，避免傾覆，且高度便于安裝布線。豎式網(wǎng)孔架控制柜結(jié)構(gòu)三視圖如圖2所示。

圖2 豎式網(wǎng)孔架控制柜結(jié)構(gòu)三視圖

豎式網(wǎng)孔架基本結(jié)構(gòu)：下方為工具箱和4 個輪子，上方為豎式網(wǎng)孔板；

尺寸：800 mm（長）×600 mm（寬）×1 930 mm（高）；

框架結(jié)構(gòu)：外框架由鋁合金型材構(gòu)成，內(nèi)嵌噴塑鋼板；

鋼板尺寸：1 220 mm×720 mm；

鋼板厚度：2 mm；

鋼板孔規(guī)格：上方孔尺寸6 mm×10 mm，孔左右間距為6 mm，上下間距為6 mm，錯位8 mm；

網(wǎng)孔板配有推拉式工具箱，工具箱采用型材外框、2 mm貼面板底部，網(wǎng)孔架底部裝有滑輪。

2.2 網(wǎng)孔板電氣結(jié)構(gòu)布局

控制柜線路系統(tǒng)的設(shè)計是從元器件結(jié)構(gòu)布局開始的，因此合理的器件布置至關(guān)重要。系統(tǒng)應(yīng)按照低壓配電裝置的布置技術(shù)規(guī)范進行布置，同時設(shè)備布置必須遵循安全、可靠的原則，需要便于安裝、操作、搬運和檢修。網(wǎng)孔板元器件布置如圖3 所示。整個網(wǎng)孔架自上而下可分為三個區(qū)域：可視化及操作區(qū)、主控制區(qū)、電纜固定接地區(qū)。

圖3 網(wǎng)孔板元器件布置

可視化及操作區(qū)主要實現(xiàn)控制指令發(fā)出及數(shù)據(jù)采集與控制、應(yīng)用場景動畫模擬等功能。主要由數(shù)字量輸入模塊（按鈕）、模擬量輸入模塊（電位器）、數(shù)字量輸出模塊（指示燈）及工業(yè)觸摸屏（西門子HMIKTP 700 BASIC）組成。

主控制區(qū)為整套設(shè)備的控制核心。PLC 選用西門子新一代SIMATIC S7-1200 控制器1214C DC/DC/DC；為便于模擬量信號輸出，通信配有信號板SB1232；為便于PLC 與外部設(shè)備之間實現(xiàn)Modbus-RTU、自由口等通信，配有CM1241 通信模塊?？紤]到實驗室使用環(huán)境，采用220 VDC 電源為設(shè)備供電，總供電進線經(jīng)過總保護后，分流成三支回路，一是24 VDC 開關(guān)電源回路，用于PLC 等元器件供電；二是調(diào)試插座回路，用于兩個設(shè)備調(diào)試插座供電；三是變頻器PM 供電回路，作為綜合實訓(xùn)裝置的預(yù)留部分，可為后期加入變頻控制供電。網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)交換機實現(xiàn)PROFINET 星型拓撲結(jié)構(gòu)。

電纜固定接地區(qū)外部設(shè)備的控制電纜采用RVVP-10*0.75 mm2，并對設(shè)備做單點接地，可抵抗工作環(huán)境中的電磁干擾。

2.3 工作臺布局

工作臺包括模擬量控制模塊及運動控制模塊。在工業(yè)控制領(lǐng)域，經(jīng)常要對來自現(xiàn)場的電流信號、電壓信號、溫度、壓力等模擬量進行數(shù)據(jù)采集，最為常見的模擬量控制就是溫度控制，綜合考慮典型性、易實現(xiàn)性、安全性等因素，本綜合實訓(xùn)裝置使用溫度控制作為模擬量控制模塊的控制對象。該部分由PT00鉑熱電阻和溫度智能PID 調(diào)節(jié)器XMT62X 儀表組成并置于工作臺上，用于檢測并顯示當前溫度值。三線制鉑熱電阻PT100 連接到智能PID 調(diào)節(jié)器的輸入端子；溫度智能PID 調(diào)節(jié)器通過RS-485 串口，利用Modbus-RTU 通信協(xié)議，PLC 讀取到當前的溫度值；PLC 通過PROFINET 協(xié)議與HMI 相連，將當前溫度值顯示在工業(yè)觸摸屏上。通信硬件連接情況如圖4所示。

圖4 通信硬件連接情況

出于成本考慮，本綜合實訓(xùn)裝置暫時使用步進電機作為運動控制模塊。該部分由57 系列步進電機配合DM542 數(shù)字式中低壓步進電機驅(qū)動器來驅(qū)動一維滾珠絲杠。滾珠絲杠的兩端均設(shè)置微動開關(guān)，正中設(shè)置漫反射光電開關(guān)用于定位。S7-1200 系列PLC 提供四組高速脈沖輸出發(fā)生器，Q0.0 和Q0.1、Q0.2 和Q0.3、Q0.4 和Q0.5、Q0.6 和Q0.7，其中前兩組脈沖輸出發(fā)生器的最大脈沖頻率對應(yīng)CPU 的數(shù)字量輸出100 kHz，后兩組最大為30 kHz。該部分使用PLC 的第一組高速脈沖輸出發(fā)生器，用于控制脈沖信號的方向及發(fā)送脈沖信號給步進驅(qū)動器。本綜合實訓(xùn)裝置配有開放性接口，可供后期擴展變頻器控制。

2.4 電氣安全保護設(shè)置

電氣安全保護設(shè)置包括：

1）綜合實訓(xùn)裝置柜體及要求接地的器件均接地效果良好；同時配有必要的信號隔離，如為了更好地保護CPU，整套設(shè)備的DI/DQ 均采用了隔離繼電器實現(xiàn)中間繼電器隔離。

2）具備漏電保護功能。額定漏電動作電流30 mA，漏電分斷時間<0.1 s。

3）短路和過流保護。綜合實訓(xùn)裝置柜體設(shè)置了空氣開關(guān)和保險，保護電路不因過大的電流而燒毀，起到保護電路的作用；24 VDC 開關(guān)電源回路輸出經(jīng)過保險端子的設(shè)計，極大程度保護了24 V供電系統(tǒng)。

4）過壓保護和欠壓保護。綜合實訓(xùn)裝置設(shè)置了超壓、過壓、欠壓保護器，對電壓進行全面監(jiān)測、控制、保護。高電壓時保護自身，低電壓時穩(wěn)定工作；動作電壓精準，執(zhí)行響應(yīng)速度快。

2.5 實驗實訓(xùn)項目確定

本綜合實訓(xùn)裝置采用基于西門子工業(yè)觸摸屏HMI 虛實結(jié)合的實驗實訓(xùn)方式，上位機HMI 可根據(jù)實驗實訓(xùn)項目的不同，由學(xué)生靈活設(shè)計操作界面及虛擬動畫界面，畫面簡潔易用，動畫形象逼真。實驗實訓(xùn)項目分為實驗部分和綜合實訓(xùn)部分。

實驗內(nèi)容安排如表1 所示，一共有22 個實驗，分為基本篇和進階篇，主要對學(xué)生的PLC 基本能力進行訓(xùn)練與培訓(xùn)。

表1 實驗內(nèi)容安排

基本篇共安排有12 個實驗，主要涉及內(nèi)容為S7-1200 的基本控制指令，如：置復(fù)位、定時器、計數(shù)、數(shù)據(jù)運算，該部分通過一些基本實驗可讓學(xué)生掌握這些指令的使用。實驗內(nèi)容安排循序漸進，承上啟下。總體而言，該部分的難度及綜合性均較低，適用于入門學(xué)習。

進階篇共安排有10 個實驗，包括SCL 語言編程、順序控制、中等難度的自動化編程調(diào)試，相較于基本指令部分，該部分更傾向于學(xué)生對PLC編程的整體思維進行拓展。相應(yīng)地，其難度會更高且綜合性會更強。

實訓(xùn)部分共安排有4 個實訓(xùn)項目，涵蓋了工業(yè)控制領(lǐng)域的基本功，包含了電氣設(shè)計、設(shè)備安裝與調(diào)試、復(fù)雜自動化系統(tǒng)編程與調(diào)試、簡單的程序算法。相比于實驗部分，實訓(xùn)部分的綜合性顯得更強，十分適合于自動化綜合技術(shù)的鍛煉。實訓(xùn)內(nèi)容安排如表2所示。

表2 實訓(xùn)內(nèi)容安排

3 應(yīng)用效果對比分析

本綜合實訓(xùn)裝置目前應(yīng)用于江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院的機電一體化技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、智能控制技術(shù)等專業(yè)進行PLC 課程的一體化教學(xué)、考核、課程設(shè)計，競賽選手選拔的基礎(chǔ)性培訓(xùn)以及電氣控制類社會培訓(xùn)。通過兩年多的實踐教學(xué)應(yīng)用證明，本實訓(xùn)裝置具有工作安全、可靠，占地空間小，布線直觀，便于安裝、操作、搬運和檢修等特性。相較于原有PLC實驗實訓(xùn)設(shè)備，本綜合實訓(xùn)設(shè)備可為使用者提供自控程序、電氣硬件、網(wǎng)絡(luò)信息、圖紙接線等多方面的功能，更加符合對技術(shù)技能人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)的需求。

對照班與實驗班課程滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)對比如圖5 所示。由圖5 可知，一方面，使用了本實驗裝置后，學(xué)生對實驗實訓(xùn)設(shè)備的滿意度從79%增加為90%（第6 題），認為課程內(nèi)容切合企業(yè)一線崗位的學(xué)生比例從32%增加到77%（第7 題），由于綜合實訓(xùn)項目的教學(xué)，使得認為課程較難的學(xué)生從60%增加到77%（第8 題），但是同時認為通過課程學(xué)習收獲很大的學(xué)生從65%增加到82%（第9 題）。另一方面，從第2 題到第5 題關(guān)于教師教法、儀態(tài)、表達及信息化使用方面，兩個班的數(shù)據(jù)差距不大。因此可以判斷出通過使用創(chuàng)新型實訓(xùn)裝置并配套開展綜合性項目式教學(xué)，學(xué)生對課程的滿意度大大提高。

圖5 對照班與實驗班課程滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

本項目從立項至今，經(jīng)過兩年多的探索與實踐，設(shè)計并完成了20 套綜合實訓(xùn)裝置的安裝與調(diào)試，建成了現(xiàn)代控制室實訓(xùn)室。本項目創(chuàng)新了江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)實訓(xùn)基地的建設(shè)途徑，成為校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)的有益補充，經(jīng)過三屆學(xué)生的使用，本實訓(xùn)裝置具有工作安全、可靠，占地空間小，布線直觀，結(jié)構(gòu)靈活，易于擴展，便于安裝、操作、搬運、檢修、試驗和監(jiān)測等特性，具有一定的推廣價值。