開放式PLC 控制實驗實訓(xùn)裝置設(shè)計與研究*

王曉娟，趙金金

（內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與自動化學(xué)院，呼和浩特 010070）

1 引言

隨著我國信息化和工業(yè)化技術(shù)的深入融合，“中國制造”也逐步在向“中國智造”轉(zhuǎn)換，使得社會對工控自動化專業(yè)的技術(shù)人才需求也在不斷發(fā)生變化[1]。對于各大高職院校而言，培養(yǎng)自動化人才的規(guī)格也必須與時俱進(jìn)，不僅需要掌握基本的電氣控制技術(shù)，同時需要掌握現(xiàn)代化的通用自動控制器（即可編程控制器，簡稱PLC）的控制系統(tǒng)開發(fā)。在這樣特定的要求下，各大高職院校對于電氣自動化人才培養(yǎng)配套的實驗實訓(xùn)裝置也需同步進(jìn)行更新[2]?，F(xiàn)有實訓(xùn)設(shè)備大多為封閉式集成電氣設(shè)備，集成電氣設(shè)備功能單一，缺少采集各種信號的傳感器裝置，無法滿足信號檢測控制需求。同時，過于強調(diào)模擬性，實驗結(jié)果以驗證性為主，與企業(yè)實際生產(chǎn)差距較大，且產(chǎn)品設(shè)計模塊化，難以實現(xiàn)實訓(xùn)裝置在電氣設(shè)備安裝、接線、調(diào)試方面的應(yīng)用和技能培養(yǎng)，產(chǎn)品精度較低、兼容性較差。鑒于上述存在問題，以往全封閉式的PLC 教學(xué)實驗裝置結(jié)構(gòu)亟需改進(jìn)。本研究綜合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的通用對象與實用案例，設(shè)計一套開放式PLC 綜合實驗實訓(xùn)裝置，以因應(yīng)未來實訓(xùn)設(shè)備的發(fā)展趨勢。

2 實訓(xùn)裝置設(shè)計思路

PLC 控制系統(tǒng)實訓(xùn)裝置具有完全開放、安全性高等特點。它改變了傳統(tǒng)封閉式實驗箱的構(gòu)建方式，采用了器件外露、端子接線的方式，符合現(xiàn)代工業(yè)控制設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[3]。實訓(xùn)裝置的設(shè)計須體現(xiàn)科學(xué)合理性，使得對元器件的認(rèn)知、選擇、檢測更加直觀，便于安裝、調(diào)試及檢修等任務(wù)的完成[4-5]。裝置設(shè)計技術(shù)路線如圖1 所示，包含構(gòu)架設(shè)計、元器件布局設(shè)計、虛擬仿真、任務(wù)測試、實物安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)。裝置當(dāng)中的電氣設(shè)計及布局皆以相關(guān)的國家電氣設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 裝置設(shè)計技術(shù)路線圖

實訓(xùn)裝置的完全開放性是設(shè)計的關(guān)鍵。裝置整體布局圖如圖2 所示，包括電源系統(tǒng)、可編程控制器PLC、觸摸屏、開關(guān)量輸入輸出設(shè)備、傳感器、電機控制模塊、變頻器、被控對象機械手以及上位機等部分。通過硬件裝置的構(gòu)建，PLC、觸摸屏、電機控制模塊等可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求選擇不同品牌的設(shè)備進(jìn)行實驗。

圖2 裝置整體布局圖

開關(guān)量輸入設(shè)備、傳感檢測等元器件都選用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)傳感器，以滿足模擬應(yīng)用的普遍性需求。除了執(zhí)行機構(gòu)之外，各個模塊的元器件都掛靠在網(wǎng)孔板上，確保實訓(xùn)裝置的整體構(gòu)建布局合理，符合電氣控制的標(biāo)準(zhǔn)和布局原則。

3 裝置具體設(shè)計

3.1 可編程控制器PLC

選用西門子S7-200 系列PLC 作為核心控制器。這種PLC 具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，適用于各種工業(yè)控制場合[6]。在實際調(diào)試中，也可以替換為其他品牌的PLC，以滿足不同客戶的需求。在選擇PLC 時，一個關(guān)鍵考慮是要具備高速脈沖發(fā)生器，以實現(xiàn)對伺服電機和步進(jìn)電機控制，實現(xiàn)高精度的位置控制和速度控制，從而提高整個裝置的穩(wěn)定性和性能[7-8]。

為便于編程和操作，PLC 應(yīng)具備相應(yīng)外圍設(shè)備連接端口，用來連接各種輸入輸出設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器等。PLC 還應(yīng)具備操作終端接口，連接人機界面（HMI）設(shè)備，實現(xiàn)更加直觀和便捷的操作方式。

3.2 輸入模塊設(shè)計

輸入模塊包含開關(guān)量輸入輸出設(shè)備。例如：系統(tǒng)工作必需的啟動、停止、急停等按鈕，以及開關(guān)和行程開關(guān)等。傳感器包含位置檢測限位傳感器、物料檢測光電傳感器等。輸入端接線示意圖如圖3 所示。

圖3 PLC 輸入端接線示意圖

輸入端各元器件采用直流24V 標(biāo)準(zhǔn)電壓，也可采用自帶24V 電源。傳感器線選擇三線制，包含電源正反極及信號線；信號線按分配表進(jìn)行連接。各元器件選擇均需按實際工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，合理設(shè)置走線布局；通過插拔式端子板接入PLC 輸入端。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)實際項目要求，自行選擇相應(yīng)器件，按電氣控制圖繪制標(biāo)準(zhǔn)接線圖，最終完成線路連接及調(diào)試。

3.3 輸出模塊設(shè)計

輸出模塊包含電機控制模塊、繼電器、電磁閥、步進(jìn)驅(qū)動器等器件，同時也包含變頻器模塊，示意圖如圖4 所示。各部件均獨立掛靠于網(wǎng)孔板，不加封閉外殼，便于觀察器件的工作過程，并對工作過程進(jìn)行故障的檢測和排除。在實際應(yīng)用過程中可根據(jù)需求選擇相應(yīng)部件進(jìn)行項目設(shè)計實施。各輸出負(fù)載選用標(biāo)準(zhǔn)電氣元件，如各負(fù)載額定電壓不同，則應(yīng)按公共端1L、2L、3L 分類設(shè)計安裝，確保輸出能正常工作。

圖4 PLC 輸出端接線示意圖

3.4 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行結(jié)構(gòu)為裝置控制對象，基于裝置開放性，選取物料傳送裝置、物料加工、物料裝配、機械手裝置、運料小車等典型的控制對象，作為執(zhí)行機構(gòu)單元。每一套裝置都是一個獨立控制系統(tǒng)，通過實訓(xùn)裝置設(shè)計，將氣動技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)、組態(tài)技術(shù)融入裝置項目，增強裝置的綜合性及實用性。

4 仿真調(diào)試

為節(jié)約設(shè)備制造成本，增強設(shè)備運行可靠性，項目采用虛實結(jié)合方法。在硬件裝配前，在仿真系統(tǒng)中對項目硬件進(jìn)行模擬裝配調(diào)試，并對項目任務(wù)進(jìn)行程序設(shè)計及仿真測試，確保在系統(tǒng)能正常運行條件下，購置相應(yīng)器件進(jìn)行系統(tǒng)裝配，并結(jié)合實際情況完成裝配及項目任務(wù)調(diào)試。

系統(tǒng)模擬調(diào)試包含元器件選擇、檢測、元器件布局、系統(tǒng)模塊布局、系統(tǒng)安裝、項目測試。在虛擬環(huán)境下完成裝置調(diào)試，既節(jié)約成本，又發(fā)揮了設(shè)計裝置的靈活性，有助于達(dá)到最優(yōu)硬件系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)仿真案例生產(chǎn)線分揀系統(tǒng)布局如圖5 所示。

圖5 實訓(xùn)裝置虛擬仿真示意圖

本案例程序設(shè)計采用以轉(zhuǎn)換條件為中心的順序控制設(shè)計法，部分調(diào)試程序如圖6 所示。經(jīng)項目測試和程序調(diào)試可知，裝置硬件設(shè)計及項目程序設(shè)計能按控制要求完成相應(yīng)任務(wù)，在實際教學(xué)當(dāng)中達(dá)到了對安裝、運行、調(diào)試、故障排除等技能的訓(xùn)練目的。

圖6 分揀系統(tǒng)案例的部分調(diào)試程序

5 結(jié)束語

PLC 控制系統(tǒng)開放式實訓(xùn)裝置的設(shè)計主要是針對封閉實訓(xùn)裝置中存在的不足，通過開放式硬件系統(tǒng)構(gòu)建，基于企業(yè)應(yīng)用項目內(nèi)容設(shè)計，為使用者提供了一個與企業(yè)實際操作模式接軌的實踐操作平臺，助力于使用者學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，切實提高電氣控制和PLC 控制的實踐技能在裝置上的綜合應(yīng)用，在高職院校工控類專業(yè)設(shè)備建設(shè)中具有一定的推廣價值。