氣動PLC控制教具小型化的設計與實現

梁剛 蒙雪蘭 方良材

（廣西農業職業技術學院 廣西 南寧530007）

氣動PLC控制教具小型化的設計與實現

梁剛 蒙雪蘭 方良材

（廣西農業職業技術學院 廣西 南寧530007）

針對目前市場上氣動PLC控制教具多以實驗桌的形式出現，占用空間較大，而且跨科目實訓通用性不強這一突出問題，提出了氣動PLC控制教具應當在滿足實驗實訓要求的情況下盡量小型化、跨科目通用化的設計思路。根據這一設計思路，本文簡要闡述了一款小型化氣動PLC控制教具的設計、安裝與調試過程，旨在通過使用這樣的教具提高實驗實訓室的使用效率。

氣動PLC控制；教具；小型化；設計；實現

設計背景

目前市場上氣動PLC控制教具多以實驗桌的形式出現。其優點是綜合了氣動控制與PLC控制的實訓內容，可容納較多的元器件，在實訓中可以根據需要更換元件便可完成不同的實訓項目，對同一科目通用性較強。但實驗桌所占空間比較大，而且跨科目實訓通用性不強。在土地資源越來越珍貴的今天，很多院校受場地的限制，對這些教具望而止步——并非購買不起，而是采購回來后沒有足夠的空間放置。因此，在社會經濟不斷從粗放型向集約型轉變、資源配置要求合理化的今天，如何設計教學儀器設備，在不增加土地和教室等資源消耗的情況下，又能滿足實驗實訓的要求，有著十分重要的意義。

設計思路與要求

我院電工實驗實訓室不僅可完成電氣控制線、照明電路以及電度表的安裝與調試，還可以實現機床電路維修、電子電路板焊接、PLC控制、傳感器以及變頻器安裝與設定等多門課程的典型實訓項目。一間小小的實驗室為什么可以完成那么多的實訓項目？究其原因，主要是這些教具大多沒有使用目前市場上熱賣的實驗桌，而是采用活動型的電路板塊。這些電路板塊在不使用時，可以疊放保存，占用空間少，便于管理，可騰出空間來完成其他種類的實驗實訓項目。受此啟發，我們可以設計一款既可以在氣動控制教學中使用，也可以在PLC控制教學中使用，甚至還可用于傳感器部分教學內容的教具。設計這一款教具的基本出發點是：要求在能夠保證設備功能綜合性的同時，使其占用空間盡可能少。

從教學要求上看，我們設計的教具，首先應該具備開設氣動控制基本項目及部分擴展項目實訓的功能。氣動控制實訓的基本項目主要有：換向回路、流量控制回路以及壓力控制回路三種基本氣動控制回路的安裝與調試。而開設這些實訓項目，需要雙作用氣缸、二位五通電磁閥、節流閥、減壓閥等氣動元器件。除了滿足基本回路安裝與調試的實訓外，教具還應適應更高層次實訓項目的需求。在這里我們增加了三種回路：時間控制回路、同步回路和順序動作回路，并把它們作為教具的高級功能。其次，教具要利用PLC作為控制器來控制這些氣動回路的運行。因此，在PLC控制教學中，所需開設的實訓不僅包括自鎖電路、互鎖電路以及延時通電電路等基礎電路的程序設計、電路接線及調試，還應包括幾種不同方法順序動作電路的程序設計、電路接線及調試等綜合性實訓項目。再次，使用磁性開關（一種傳感器）作為該教具控制系統的輸入元件。磁性開關需要帶磁性活塞的氣缸與之配合使用，其作用與行程開關一樣，用于行程控制。

設計方案

根據上述設計思路與要求，我們確定這款教具需采用三個氣缸來組成一個自我循環的工作系統，同時由PLC完成對這三個氣缸的控制，從而實現一種教具多門課程共同使用的功能。該教具實際是一個簡化了的、由PLC控制的、自我循環的氣動物料搬運系統，如圖1所示（圖中箭頭旁數字與工作過程步數一致）。其工作過程可描述為：第一步，所有氣缸復位；第二步，啟動運行，氣缸2帶動裝料盒至裝料位置，并停止；第三步，氣缸1推動物料進入裝料盒，然后復位；第四步，氣缸2復位；第五步，氣缸3推動氣缸2移動至最大行程位置并停止；第六步，氣缸2帶動物料盒至出料位置并停止；第七步，氣缸1推動物料至供料點并復位；第八步，氣缸2復位；第九步，氣缸3復位，工作循環完成一個周期。由于物料可使用比較輕的物品，因此氣缸帶載能力不需要太高，這里可以選擇橫截面積、行程都比較小的氣缸，且全部需要活塞帶磁性的類型。根據搬運系統工作過程可以得知，至少需要兩個按鈕分別用于啟動和停止，至少需要六個磁性開關分別安裝在三個氣缸兩端的極限行程位置。

圖1 搬運系統工作過程示意圖

設計與實現

（一）硬件設計

由于實驗室已經有一定數量的單臺PLC主機，并且此教具需要使用的外部接線端數量也控制在了目前市場常見的最小PLC所提供的點數范圍內，因此，作為主控制器的核心元件PLC并不需要重新購買。根據設計方案，可以得到組裝該教具各元件清單及價目，如表1所示。表1中的各元件均可在學校附近的機電市場采購到，使得作為經常拆裝的教具在出現元器件損壞時可方便地更換。綜合上述硬件需求，一套這樣的元件成本可以控制在600元以內，比起一些動輒上萬元一臺的專用教學實驗桌，成本大大降低，使得“少花錢，多辦事”成為可能。

表1 系統元件清單及價目表

根據前文對該教具設計要求的描述，可得這款教具的PLC控制系統通道分配，如表2所示。其中，系統工作過程的第七步，可以通過定時器定時，并可通過適當調節氣缸1的運動速度來實現氣缸1完成第七步的往復運動。

表2 I/O通道分配表

教具的支架加工及組裝都是精度要求很高的工作。在這里，支架選擇截面為38×25mm、壁厚為1mm的不銹鋼方管作為原材料。底座部分按照“豎橫豎”的方式排布焊接在一起，從而在中間形成一個物料移動導向槽。支架本身全部采用點焊連接方式，并在氣缸安裝處預留通孔，用于安裝氣缸。根據表2中的通道分配，可以得出PLC的外部電路接線圖，如圖2（a）所示，各氣缸磁性開關安裝位置如圖2（b）所示，氣動回路設計如圖2（c）所示。由圖2可以看出，電路接線并不復雜，容易實現，而且可以在非常短的時間內完成。

由于氣缸3位置的特殊性，除要求其運動軌跡為直線外，活塞連桿是不能發生旋轉運動的，否則將會出現氣缸2不垂直導軌現象。同時，氣缸2由于連接著裝料盒，活塞連桿也是不能發生旋轉運動的。因此，在設計過程中，可采用活塞連桿為正六邊形的氣缸作為氣缸2和氣缸3的標準配備。當然，也可以采用雙缸氣缸或者是平行雙氣缸同步控制回路來實現這兩個位置的直線不旋轉運動。其中，后者成本因氣缸數目的增加而增加，顯得教具的性價比并不是那么突出，同時對支架的加工及氣缸的安裝這兩項工作的精度要求將會變得更高。比如平行氣缸的安裝一定要保證氣缸平行，且在工作時必須同步推出或者縮回，否則容易出現磨損，平行度差時甚至會出現自鎖現象而無法運行。

（二）軟件設計

根據前文所述的系統工作過程，可用順序控制編程方法進行編程。主要方法有：步進指令、起保停電路以及以轉換為中心的編程方法。在本設計中我們采用步進指令方法進行編程。其順序功能如圖3所示。其中S0為系統復位待機狀態，狀態轉移條件為X1即啟動按鈕接通；S20為物料盒進入裝料位狀態，狀態轉移條件為X5即氣缸2下限位磁性開關接通；S21為推料進盒狀態，狀態轉移條件為X2即氣缸1左限位磁性開關接通；S22為推料復位狀態，狀態轉移條件為X3即氣缸1右限位磁性開關接通；S23為物料盒抬升狀態，狀態轉移條件為X4即氣缸2上限位磁性開關接通；S24為物料盒右移狀態，狀態轉移條件為X7即氣缸3右限位磁性開關接通；S25為物料盒下降狀態，狀態轉移條件為X5即氣缸2下限位磁性開關接通；S26為出料狀態，狀態轉移條件為T0即定時器延時常開觸點接通；S27為出料復位狀態，狀態轉移條件為X3即氣缸1右限位磁性開關接通；S28為物料盒抬升復位狀態，狀態轉移條件為X4即氣缸2上限位磁性開關接通；S29為物料盒左移復位狀態，狀態轉移條件為X6即氣缸3左限位磁性開關接通。

圖2 電路及氣路原理圖

圖3 PLC功能圖

根據順序功能圖可輕松地轉化為梯形圖程序。

（三）程序仿真與調試

完成了梯形圖程序設計，在真正用于控制系統前，還必須經過仿真軟件進行模擬調試，除了觀察每一步是否在相應的轉移條件下能夠順利轉移之外，還應注意輸出線圈是否能夠順利接通。確定了調試核對目標便可完成對程序設計進行仿真檢測這一項設計內容。

（四）教具的組裝與調試

程序仿真與調試成功后，就可進行教具的組裝與調試了。在組裝時選擇的是行程最大為150mm的氣缸，所以整套設備橫過來放置長度不超過800mm，高度不超過400mm，寬度也不超過200mm，因此體積較小。而且由于這樣的體積，普通課桌的桌面都能放置得下，即使加上PLC主機模塊也能容納得下。

結語

設計組裝完成后，使用該系統可以完成氣動控制回路安裝實訓、PLC控制電路安裝實訓、PLC控制程序設計等實訓項目。由于PLC控制程序可更改，該搬運系統的工作流程也可以隨之改變。從組裝結果來看，體積滿足了設計要求，不至于有太大元件難以放置，從而實現了設備小型化、合理利用教室資源的目標。

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G712文獻標識碼：A文章編號：1672-5727（2011）11-0156-03

梁剛（1982—），男，壯族，廣西南寧人，工程碩士，廣西農業職業技術學院機電工程系講師，研究方向為機電一體化技術、電氣自動化。

蒙雪蘭（1970—），女，壯族，廣西南寧人，工學碩士，廣西農業職業技術學院機電工程系副教授，研究方向為機電一體化技術、電氣自動化。

方良材（1982—），男，廣西南寧人，工程碩士，廣西農業職業技術學院機電工程系講師，研究方向為機電一體化技術、機電設備維修。