可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試一體化課程設(shè)計(jì)

魏海翔　 劉翠華

摘 要：可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試一體化課程設(shè)計(jì)是根據(jù)企業(yè)對(duì)高技能型人才的要求，并聯(lián)系企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際要求實(shí)施的一門(mén)綜合應(yīng)用型課程。該課程以企業(yè)實(shí)際工程為主線，以高新技術(shù)為支撐，以全新的一體化教學(xué)模式為載體，培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)技能型人才，促進(jìn)技工教育和職業(yè)培訓(xùn)教學(xué)改革和發(fā)展。本文從可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程總體設(shè)計(jì)、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程實(shí)施詳細(xì)步驟及可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程實(shí)施項(xiàng)目等方面進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：可編程控制器 課程設(shè)計(jì) 一體化教學(xué) 技能人才

在當(dāng)代先進(jìn)制造業(yè)中，現(xiàn)代化生產(chǎn)都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，這不但適應(yīng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，急速減少了操作工人的數(shù)量，解決了我國(guó)當(dāng)前工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中遇到的用工荒問(wèn)題，而且大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，提升了我國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，現(xiàn)代工業(yè)都采用了可編程控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制，淘汰了以往以接觸器、繼電器等電氣元件為主的繼電器控制系統(tǒng)，繼電器控制系統(tǒng)的體積龐大、線路復(fù)雜、靈活性差、成本高、可靠性差、維修困難等缺點(diǎn)是無(wú)法克服的，不能適應(yīng)當(dāng)代快速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)需求。而以可編程控制器為核心的可編程序控制系統(tǒng)集三電（電控、電儀、電傳）為一體，具備自動(dòng)化集成度高、技改靈活、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，可編程控制器成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大技術(shù)支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一，成為工業(yè)4.0的主要技術(shù)之一。

中國(guó)要從制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國(guó)，掌握先進(jìn)的現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)是必不可少的。現(xiàn)代化生產(chǎn)中，可編程控制器控制技術(shù)已經(jīng)成為電氣技術(shù)人員和工科學(xué)生的基本要求，但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)能熟練掌握和運(yùn)用可編程控制器控制技術(shù)的學(xué)生很少，這就要求有新的一體化教學(xué)來(lái)促使學(xué)生熟練掌握這門(mén)技術(shù)。

一、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程總體設(shè)計(jì)

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試一體化課程結(jié)合了企業(yè)實(shí)際工程，以工程技術(shù)人員完成整個(gè)項(xiàng)目的工作過(guò)程為教授的模板，以培養(yǎng)工程技術(shù)人員的方法培養(yǎng)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、思考能力、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等，以提升學(xué)生的綜合能力為主要目的，促使學(xué)生牢牢掌握先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，并能運(yùn)用所學(xué)的技術(shù)技能解決實(shí)現(xiàn)工作中所遇到的問(wèn)題。教師在可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試一體化課程中，除了向?qū)W生傳授先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)之外，更重要的是指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行正確的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、總結(jié)問(wèn)題，為學(xué)生日后能成為高技能型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從事這門(mén)課程教學(xué)的教師要有豐富企業(yè)經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的教學(xué)能力，對(duì)教師也是一個(gè)提升。

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程結(jié)合了多門(mén)課程：CAD制圖（畫(huà)電氣控制圖）、工具的使用及機(jī)械加工（電箱制作）、電力拖動(dòng)（控制線路的設(shè)計(jì)及制作）、電工基礎(chǔ)（元件的選擇）、傳感器技術(shù)（傳感器的選擇及使用）、寫(xiě)作（編寫(xiě)技術(shù)文件）、PLC技術(shù)（控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）、變頻器技術(shù)（控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）、觸摸屏技術(shù)（控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）、組態(tài)技術(shù)（控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）等，是一門(mén)多學(xué)科的綜合應(yīng)用，是學(xué)生畢業(yè)前的一次實(shí)戰(zhàn)。

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程教學(xué)主要是以學(xué)生為主，教師為輔；學(xué)生獨(dú)立完成，教師監(jiān)控指導(dǎo)；貼近企業(yè)生產(chǎn)實(shí)戰(zhàn)，培養(yǎng)技能技術(shù)，培養(yǎng)技術(shù)員，以一畢業(yè)就能上手為目的。

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程真實(shí)再現(xiàn)技術(shù)項(xiàng)目實(shí)施的全過(guò)程，從提出工藝要求→過(guò)程設(shè)計(jì)→元件選擇→電柜制作→程序編寫(xiě)→安裝設(shè)備調(diào)試→技術(shù)資料整理→交設(shè)備、技術(shù)資料→驗(yàn)收。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能充分體驗(yàn)作為一個(gè)工控人的樂(lè)趣和存在的工作壓力，掌握進(jìn)行企業(yè)技術(shù)改造的流程和工作方法。

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程實(shí)行分組學(xué)習(xí)，項(xiàng)目連續(xù)實(shí)施，每組4人，團(tuán)隊(duì)合作完成。

二、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程實(shí)施詳細(xì)步驟

1.根據(jù)客戶的項(xiàng)目工藝要求，確定項(xiàng)目的電氣控制方案

根據(jù)客戶提供的項(xiàng)目工藝流程、工藝要求和完成的目標(biāo)，仔細(xì)分析完成每個(gè)工藝流程步驟所要涉及的機(jī)械動(dòng)作，以及要完成機(jī)械動(dòng)作所需的電機(jī)、液壓、氣動(dòng)等運(yùn)行方式，提出控制方案，確定控制方式，撰寫(xiě)項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，在對(duì)工藝要求有疑問(wèn)時(shí)要及時(shí)與客戶聯(lián)系溝通，確保設(shè)計(jì)方案的正確性。通過(guò)這個(gè)步驟，培養(yǎng)了學(xué)生的分析問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和與人溝通的能力，也讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的電氣控制技術(shù)進(jìn)行一次總結(jié)，另外也讓學(xué)生學(xué)習(xí)到了正在企業(yè)中運(yùn)用到的先進(jìn)技術(shù)，學(xué)生也能掌握電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。

2.根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)備選型

以項(xiàng)目控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，選擇控制所需的開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等系統(tǒng)輸入設(shè)備的型號(hào)和品牌，以及指示燈、中間繼電器等系統(tǒng)輸出設(shè)備的型號(hào)和品牌；根據(jù)輸入輸入信號(hào)類(lèi)型和數(shù)量，控制對(duì)象，選擇可編程控制器型號(hào)，確定可編程控制器容量、I/O點(diǎn)數(shù)、特殊模塊等內(nèi)容；根據(jù)動(dòng)力要求，通過(guò)計(jì)算力矩的大小，并根據(jù)動(dòng)力運(yùn)行模式，選擇電機(jī)類(lèi)型如：伺服電機(jī)、變頻電機(jī)、普通電機(jī)等，并選擇電機(jī)的容量和型號(hào)。在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師教授學(xué)生做預(yù)算、選型、計(jì)算力矩等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)查、電氣設(shè)備市場(chǎng)咨詢等方式進(jìn)行工程實(shí)踐，了解電氣設(shè)備的類(lèi)型、質(zhì)量、價(jià)格等方面的知識(shí)，掌握如何做預(yù)算、如何選型、如何計(jì)算力矩等工程技術(shù)人員必備的知識(shí)，為自己擁有設(shè)計(jì)能力打下基礎(chǔ)。

3.設(shè)計(jì)項(xiàng)目的電氣電路圖

根據(jù)項(xiàng)目控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和設(shè)備的選型進(jìn)行項(xiàng)目電氣電路設(shè)計(jì)。首先分配可編程控制器的I/O點(diǎn)，畫(huà)出I/O分配表，以可編程控制器的核心，設(shè)計(jì)外圍電路設(shè)計(jì)，并轉(zhuǎn)化為電氣原理圖、接線圖。在這部分，學(xué)生對(duì)電氣電路圖不但要能看得懂，還得深刻理解，掌握電氣電路圖的特點(diǎn)和一般規(guī)律，以及電氣制圖的方法和電氣元件標(biāo)識(shí)及繪制，學(xué)會(huì)使用CAD進(jìn)行電氣電路圖的設(shè)計(jì)，另外也能進(jìn)行電氣設(shè)備布置圖、接線圖的設(shè)計(jì)。

4.裝配電氣硬件

根據(jù)項(xiàng)目電氣器件布置圖、接線圖，進(jìn)行控制柜和操作臺(tái)的制作。在這個(gè)過(guò)程中，教師傳授機(jī)械加工、電氣硬件裝配的經(jīng)驗(yàn)和方法，并傳授世界技能大賽機(jī)電一體化項(xiàng)目裝配工藝要求，讓學(xué)生開(kāi)闊視野，了解國(guó)際技能標(biāo)準(zhǔn)并掌握。學(xué)生經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程的訓(xùn)練，要能進(jìn)行電氣硬件的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工，掌握機(jī)械加工方法，如機(jī)械工具的使用、鈑金加工、機(jī)床使用等，并具有機(jī)械裝配的能力；根據(jù)接線圖按世界技能裝配工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線，包括導(dǎo)線的使用、冷壓端子的壓制、線路的連接等方面內(nèi)容，并進(jìn)行詳細(xì)檢查線路連接的正確性。

5.項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，結(jié)合項(xiàng)目的工藝過(guò)程選擇適合的編程方法，比如是使用經(jīng)驗(yàn)法編程方法，還是用步進(jìn)編程方法。編寫(xiě)的程序以要滿足系統(tǒng)控制要求為主線，分別編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)各部分控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)整體功能。教師結(jié)合世界技能大賽機(jī)電一體化項(xiàng)目，講解在企業(yè)工程項(xiàng)目中編程要注意的內(nèi)容：安全保護(hù)措施的設(shè)計(jì)、人機(jī)對(duì)話的設(shè)計(jì)、程序相互保護(hù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。學(xué)生通過(guò)編寫(xiě)具體的工程項(xiàng)目，有了實(shí)際工程程序設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)與用不再脫節(jié)，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)編程設(shè)計(jì)，掌握工程編程設(shè)計(jì)技巧，不會(huì)覺(jué)得工程程序設(shè)計(jì)高深莫測(cè)，樹(shù)立起日后從事技術(shù)工作的信心。

6.項(xiàng)目程序的模擬調(diào)試

項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)完成后，還要進(jìn)行模擬調(diào)試，模擬工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程，給程序運(yùn)行提供運(yùn)行信號(hào)，觀察程序運(yùn)行的結(jié)果是否符合項(xiàng)目要求，確保程序的正確性。學(xué)生通過(guò)模擬調(diào)試掌握二種模擬調(diào)試的方法：硬件模擬法、軟件模擬法。學(xué)生可以通過(guò)使用按鈕、信號(hào)發(fā)生器等硬件設(shè)備模擬產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，并將這些信號(hào)連到PLC系統(tǒng)的輸入端，操作輸入信號(hào)觀察輸出信號(hào)是否正確，來(lái)檢測(cè)程序的正確性。學(xué)生也可以編寫(xiě)一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)軟件的監(jiān)控功能來(lái)判斷程序的正確性。

7.聯(lián)機(jī)調(diào)試

程序模擬調(diào)試完成后，把該程序應(yīng)用到工程項(xiàng)目中。調(diào)試過(guò)程應(yīng)循序漸進(jìn)方式，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實(shí)際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。不符合設(shè)計(jì)要求的，就對(duì)硬件或程序做出相應(yīng)的調(diào)整。另外，根據(jù)實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行程序和機(jī)械優(yōu)化，在安全可靠的前提下，盡可能地提高設(shè)備工作效率和減小能耗。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改，保存程序，防止丟失。在調(diào)試中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題，教師只是起引導(dǎo)作用，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。

8.整理和編寫(xiě)技術(shù)文件

項(xiàng)目設(shè)計(jì)、安裝、編程、調(diào)試完后，要進(jìn)行技術(shù)文件編寫(xiě)和整理，把使用說(shuō)明書(shū)、技術(shù)說(shuō)明書(shū)、電氣電路圖、線路接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序等交給客戶。教師在這個(gè)環(huán)節(jié)要教授技術(shù)文件撰寫(xiě)技能。學(xué)生通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)，既掌握了技術(shù)文件的撰寫(xiě)，同時(shí)也提高了他們的寫(xiě)作能力，為他們?nèi)蘸髮?xiě)作論文打下基礎(chǔ)。

三、可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程實(shí)施項(xiàng)目

以項(xiàng)目—退火爐傳輸輥道PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例。

傳輸輥道是在生產(chǎn)企業(yè)中最常見(jiàn)、使用最廣的設(shè)備之一；它用來(lái)傳送物料，節(jié)省人力、提高生產(chǎn)效率；傳輸系統(tǒng)即可實(shí)行簡(jiǎn)單控制，也可實(shí)施復(fù)雜的全自動(dòng)控制。該項(xiàng)目可根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度設(shè)置難易度，但都可實(shí)際運(yùn)用在生產(chǎn)中，使學(xué)生掌握生產(chǎn)工藝和電氣設(shè)備設(shè)計(jì)技巧。

設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)內(nèi)容為：

1.設(shè)計(jì)題目

退火爐物料輸送輥道PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.設(shè)計(jì)要求

（1）設(shè)計(jì)基本要求。

①退火爐物料輸送輥道控制主線路由一臺(tái)1.5kW的Y系列三相交流異步電機(jī)及其控制元件組成。

②爐門(mén)的升降和輥道的運(yùn)行之間的配合和聯(lián)鎖必須符合工藝要求。

③控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足全自動(dòng)循環(huán)加工工藝和手動(dòng)調(diào)整工藝的需求。

④輸送輥道按順序一個(gè)物料進(jìn)入退火爐，滿足一定條件后，再把物料輸送出退火爐，完成了一次輸送任務(wù)。再接著第二次工作。

⑤本系統(tǒng)主電路供電系統(tǒng)電壓為交流380V、控制電路為交流220V、PLC控制電路為直流24V、指示燈為直流24V。

⑥進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意安全措施設(shè)計(jì)、硬件聯(lián)鎖設(shè)計(jì)、電壓等級(jí)設(shè)計(jì)、PLC程序聯(lián)鎖設(shè)計(jì)等方面。

（2）技術(shù)改造要求（可任意選擇其中的一項(xiàng)或多項(xiàng)）。

①在不同的區(qū)域?qū)嵤┒喽巫冾l速度控制。

②根據(jù)爐溫實(shí)施自動(dòng)控制。

③使用觸摸屏實(shí)行人機(jī)對(duì)話。

④實(shí)行電腦監(jiān)控。

（3）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)。

①輥道電機(jī)：Y112M-1.5 1.5kW 1440r/min 2.2A 380V

②爐門(mén)升降電機(jī)：Y112M-1.5 1.5kW 1440r/min 2.2A 380V

（4）設(shè)計(jì)內(nèi)容。

①根據(jù)退火爐物料輸送輥道運(yùn)行工藝和控制流程設(shè)計(jì)功能圖表。

②根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇控制方案。

③進(jìn)行PLC選型，設(shè)計(jì)PLC硬件系統(tǒng)，畫(huà)出相應(yīng)的PLC接線圖。

④選擇PLC控制系統(tǒng)元件，并列出元件明細(xì)清單。

⑤控制柜的設(shè)計(jì)及外圍元件的設(shè)計(jì)。

⑥設(shè)計(jì)PLC控制梯形圖。

⑦編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。

（5）所需元件。

①三菱PLC：FX2N-48MR-001

②三菱溫度模塊：FX2N-4AD-TC

③熱電偶：K型

④三菱變頻器：FR-D740-3.7K-CHT

⑤三菱觸摸屏：GT1100-Q-C

⑥電箱：800X800X500（底板、面板可更換）

⑦按鈕開(kāi)關(guān)、指示燈、行程開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)

⑧220V交流接觸器、24V直流中間繼電器、DC24V電源

⑨控制導(dǎo)線、電纜、線號(hào)管、線槽、卡軌

（6）所需工具。

①電鉆、開(kāi)孔器、絲錐、鉆頭

②萬(wàn)用表、電工工具等

四、小結(jié)

可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試一體化課程是通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手完成工程實(shí)例的一門(mén)課程，該課程不但提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提高了學(xué)生的電氣自動(dòng)化技術(shù)和技能，而且使學(xué)生深刻領(lǐng)悟和掌握了世界技能大賽機(jī)電一體化項(xiàng)目的精髓：安全、可靠、高效、節(jié)省，更重要的是學(xué)生學(xué)會(huì)了日后從事技術(shù)工作的工作方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉曉青，李晉.電氣控制與可編程序控制器教學(xué)思考[J].中國(guó)電力教育，2011（7）.

[2]魏志強(qiáng).淺析學(xué)好PLC的必備條件[J].職業(yè)，2014（36）.

[3]袁琦；劉曉梅等.PLC應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2015（4）.

[4]陳在平等.可編程序控制器技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

（作者單位：魏海翔，中山市技師學(xué)院、華南理工大學(xué)；劉翠華，中山市黃圃鎮(zhèn)科委）