非封裝式教學(xué)用PLC實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)與開發(fā)*

焦崢輝 ， 黃 鑫 ， 朱航科

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

0 引言

PLC應(yīng)用技術(shù)作為一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，在學(xué)習(xí)的過程中必須進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練才能熟練掌握。目前，市場(chǎng)上的PLC實(shí)訓(xùn)裝置種類較多，基本上可以分為兩種類型，一種是柜式實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由上、下兩部分組成，下部為柜體放置耗材或者待更換的模塊，上部為鋁合金掛板，實(shí)訓(xùn)時(shí)將需要的模塊或元件安裝在掛板上。此種設(shè)備功能強(qiáng)大、綜合性強(qiáng)，體積較大、設(shè)備費(fèi)用高、移動(dòng)不方便，學(xué)校在購買時(shí)臺(tái)數(shù)受到限制，學(xué)生上課時(shí)每臺(tái)設(shè)備分配的學(xué)生較多。為了降低故障率、提高設(shè)備的使用壽命及訓(xùn)練者操作的方便性，基本上都采用了插孔式的接線方式，輸入端的外圍設(shè)備和輸出端的控制對(duì)象都已連接好并封裝在模塊或?qū)嶒?yàn)臺(tái)內(nèi)。另一種類型是實(shí)驗(yàn)箱，采用指示燈模擬實(shí)物進(jìn)行訓(xùn)練，各元件之間的接線已經(jīng)接好封裝在箱體內(nèi)，不需要接線，只能進(jìn)行編程練習(xí)。兩種類型的實(shí)驗(yàn)裝置都無法讓學(xué)員自由接線，對(duì)學(xué)員練習(xí)接線技能有一定的限制，學(xué)員看不到底層的東西，不能對(duì)PLC技術(shù)技能從根本上進(jìn)行學(xué)習(xí)和把握[1]。

對(duì)于職業(yè)院校的學(xué)生來說，通過實(shí)踐操作獲取操作技能才是關(guān)鍵，為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種能促進(jìn)提升學(xué)生動(dòng)手能力的非封裝的便攜式教學(xué)用PLC實(shí)驗(yàn)箱。

1 PLC實(shí)驗(yàn)箱的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

PLC實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)裝置以西門子S7-1200系列PLC作為控制器，觸摸屏作為人機(jī)界面。實(shí)驗(yàn)箱采用鋁合金手提箱，分為上下兩層，所有的元器件都布置在網(wǎng)孔板上。輸入元件主要包括按鈕、編碼器和接近開關(guān)，輸出元件主要是指示燈、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和異步電動(dòng)機(jī)[2-4]。

圖1 實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)架構(gòu)框圖

1.2 方案設(shè)計(jì)

為了便于攜帶，所有的元件安裝在2個(gè)500 mm×600 mm的網(wǎng)孔板上放置于箱體內(nèi)，2個(gè)網(wǎng)孔板分別稱為基板和功能板，基板上的元件主要用于練習(xí)基本功能及指令，功能板上的元件主要用于步進(jìn)電機(jī)控制及觸摸屏的應(yīng)用練習(xí)?；迳习惭b有按鈕開關(guān)盒、接線端子排、PLC、指示燈安裝盒、單相異步電動(dòng)機(jī)、開關(guān)電源、繼電器以及空氣開關(guān)；功能板上安裝有觸摸屏、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、接近開關(guān)和步進(jìn)電機(jī)的絲杠導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。上箱體內(nèi)開設(shè)有用于放置功能板的凹槽，每個(gè)凹槽的側(cè)壁上均安裝有用于卡接功能板的卡扣。如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)箱方案設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)與選用

2.1 可編程序控制器

根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r、可編程序控制器在企業(yè)的應(yīng)用情況及專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)等方面的因素選擇市場(chǎng)主流產(chǎn)品西門子S7-1200系列PLC，型號(hào)為CPU1215C DC/DC/DC。該P(yáng)LC具有14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，2路模擬量輸入和輸出，2個(gè)以太網(wǎng)口，支持PROFINET通信，既可以作為編程接口，也可以作為操作終端接口，連接人機(jī)界面設(shè)備。另外，該設(shè)備有6路高速脈沖輸出，可以滿足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的控制需求[4]。

2.2 輸入輸出設(shè)備

輸入設(shè)備主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量信號(hào)的模擬輸入，為多個(gè)常開自復(fù)位按鈕和2個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，多種按鈕組合能夠滿足不同的控制要求[5]。輸入設(shè)備還包括了絲杠導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)上的3個(gè)光電傳感器及1個(gè)光電增量式的編碼器[6]。輸出設(shè)備有指示燈、繼電器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。學(xué)生們可以借助實(shí)驗(yàn)箱掌握各種輸入輸出元件的接線、安裝與調(diào)試。

2.3 上位機(jī)及人機(jī)交互界面

上位機(jī)安裝有西門子TIA Portal V15編程軟件和組態(tài)軟件MCGS，可利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的仿真，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控。人機(jī)界面是操作人員與PLC控制系統(tǒng)交互的接口設(shè)備，提供了人機(jī)交互的方式，選用了昆侖通態(tài)的TPC1061TI觸摸屏，為S7-1200PLC提供了過程監(jiān)控與監(jiān)視[4]。

2.4 被控對(duì)象

被控對(duì)象選用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和單相異步電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，配合編碼器、光電傳感器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制。單相異步電動(dòng)機(jī)通過變頻器或者接觸器進(jìn)行控制，當(dāng)使用變頻器時(shí)可以利用控制器實(shí)現(xiàn)多段速控制。學(xué)生通過該被控對(duì)象學(xué)習(xí)PLC運(yùn)動(dòng)控制指令、編程方法。

3 實(shí)驗(yàn)箱的創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 按鈕與指示燈安裝盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于學(xué)生練習(xí)PLC的硬件接線，根據(jù)接線的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了按鈕和指示燈安裝盒，如圖3、圖4所示。按鈕和指示燈安裝盒的結(jié)構(gòu)相同，包括盒蓋和盒體，盒蓋一側(cè)與盒體鉸接，便于打開接線，盒蓋上開設(shè)多個(gè)用于安裝按鈕和指示燈的圓孔，圓孔設(shè)計(jì)成不同直徑，可用于安裝不同類型和尺寸的元件。通過按鈕和指示燈安裝盒的獨(dú)特設(shè)計(jì)及接線端子排的使用，學(xué)生可進(jìn)行接線操作，更接近于實(shí)際生產(chǎn)需求，有利于學(xué)生實(shí)踐能力的提升。

圖3 按鈕和指示燈盒剖面圖

圖4 按鈕和指示燈盒俯視圖

3.2 接線端子排的應(yīng)用

在控制器和輸入輸出元器件之間增加接線端子排，各元件的接線端子均通過導(dǎo)線延伸到接線端子排上，解決了學(xué)生直接在元件上接線導(dǎo)致接線端子使用壽命縮短的問題。

3.3 模塊化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)箱采用模塊化設(shè)計(jì)，所有的元器件均通過螺栓固定在網(wǎng)孔板上，可靈活拆裝。在特殊情況下可根據(jù)需要將不同的元器件進(jìn)行組合，同時(shí)實(shí)驗(yàn)箱之間也可以進(jìn)行組合，增加了實(shí)驗(yàn)箱選購與應(yīng)用的靈活性。

4 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)

作為職業(yè)教育院校，以職業(yè)崗位能力為目標(biāo)培訓(xùn)學(xué)生的技術(shù)技能是關(guān)鍵。實(shí)訓(xùn)教學(xué)是讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)提升實(shí)際操作能力及實(shí)踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)是以機(jī)電設(shè)備和智能產(chǎn)線安裝調(diào)試、運(yùn)行與維修、改造與升級(jí)等崗位的能力為目標(biāo)，結(jié)合《智能制造工程技術(shù)人員國(guó)家職業(yè)技術(shù)技能標(biāo)準(zhǔn)》《智能制造設(shè)備安裝與調(diào)試職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和《智能線運(yùn)行與維護(hù)職業(yè)技能等級(jí)證書標(biāo)準(zhǔn)》等“1+X”證書要求的崗位職業(yè)技能，開發(fā)出由淺入深、由易到難的教學(xué)項(xiàng)目，總體上分為以下四個(gè)層次。

4.1 基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以按鈕和光電傳感器為輸入設(shè)備，以指示燈和單向異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，完成經(jīng)典的PLC控制項(xiàng)目，例如流水燈、交通燈、搶答器、電動(dòng)機(jī)延時(shí)啟動(dòng)、電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)等。通過基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握TIA Portal V15的功能與應(yīng)用、西門子PLC基本指令的特點(diǎn)與使用方法，包括位邏輯指令、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器指令等，以及PLC的編程思路和方法及輸入輸出元件的接線與調(diào)試方法，為后續(xù)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目打好基礎(chǔ)。

4.2 運(yùn)動(dòng)控制類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置控制在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，由于其控制指令多且比較復(fù)雜，是PLC課程教學(xué)中的難點(diǎn)內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)箱以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠滑臺(tái)為控制對(duì)象，配合編碼器、光電傳感器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制。通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的接線方法，位置控制向?qū)?、運(yùn)動(dòng)控制指令、滑臺(tái)位置控制的方法及程序編寫和調(diào)試方法[7-9]。

4.3 觸摸屏應(yīng)用類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

以西門子PLC和組態(tài)軟件MCGS作為對(duì)象的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。通過觸摸屏與PLC的硬件連接及組態(tài)軟件的編寫，熟悉觸摸屏與PLC的通信方式，掌握組態(tài)軟件的編程方法，實(shí)現(xiàn)利用組態(tài)畫面實(shí)時(shí)地監(jiān)控PLC的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)視輸入輸出設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行動(dòng)作。讓學(xué)生完成基于觸摸屏的絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和基于組態(tài)軟件的絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目[10]。另外，可以通過組態(tài)軟件模擬仿真被控對(duì)象，增加實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，豐富實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目。

4.4 創(chuàng)新拓展實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)作為被控對(duì)象，以該裝置作為控制器進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。創(chuàng)新拓展項(xiàng)目是以學(xué)生為主體、自主探索完成項(xiàng)目的過程，從繪制電氣圖紙開始，完成PLC輸入輸出信號(hào)的分配、控制流程圖的繪制、PLC程序的編寫、組態(tài)軟件的編程、通信網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)等方面的工作，通過創(chuàng)新拓展項(xiàng)目學(xué)生可以掌握一個(gè)完整的工業(yè)控制項(xiàng)目的開發(fā)流程。該裝置可以作為職業(yè)院?？萍碱悈f(xié)會(huì)課外技能拓展訓(xùn)練裝置，也可作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)的制作[4]。

5 總結(jié)

課題組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)箱以市場(chǎng)主流PLC作為控制器，配備了按鈕、接近開關(guān)、指示燈等元件及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠滑臺(tái)機(jī)構(gòu)，可滿足基本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)要求。根據(jù)輸入輸出元件的接線要求設(shè)計(jì)了便于實(shí)現(xiàn)電氣接線的按鈕和指示燈安裝盒，可以讓學(xué)生從底層掌握PLC的應(yīng)用，提高學(xué)生的接線操作能力。基于實(shí)驗(yàn)箱開發(fā)出基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、運(yùn)動(dòng)控制類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、觸摸屏應(yīng)用類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和創(chuàng)新拓展實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)搭建了平臺(tái)。