工廠PLC應用實訓裝置設計與研發

任娜

摘 要：技工類院校肩負的職能就是為社會培養合格的、實用的技能應用型人才。通過市場調研，可以了解到企業對一名合格的電氣設備安裝與操作人員所須具備的基本知識和實踐技能。對比市場現有的相關教學設備，再結合本校的實際教學需求，提出一種基于松下FP0系列PLC為核心的面向工廠應用的實訓裝置。該裝置適用于大中專院校、技校、職業學校中的機電一體化、電氣控制、自動化、機器人專業，可作為機、電、氣一體化的綜合實訓裝置。

關鍵詞：面向工廠；應用 PLC；實訓裝置

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A

一、研究背景及設計要求

PLC技術滲透在工業控制的各個領域，它體積小、可靠性高，是計算機、自動控制、軟件技術發展相結合的產物，在先進工業國家中，PLC已成為工業控制的標準設備。是機電專業中必開的課程。目前我校機電專業的PLC課程教學，采用的是教學儀器生產企業生產的成套設備。在教學過程中，我們發現，這些成套設備采用的是模擬操作的形式，即利用發光二極管來模擬控制設備，體現PLC控制程序的執行過程和結果，這樣就造成了與工廠的實際應用產生脫節的情況。學生畢業到工廠工作時，面臨從模擬操作到實際操作的一個磨合和轉換過程，需要再次學習。隨著學校的發展，我們意識到這類教學設備與當前的職教理念、技工院校學生的特點都是不相匹配的。對于我們技工類院校，更要注重學生對技能的掌握以及與工廠的結合，這對教學過程、教學設備提出了較高的要求，這種仿真設備難以滿足教學的需要。

本文提出的“面向工廠應用”即是針對上述矛盾和問題，將工廠車間機電部分實際情況加以還原，來開發新的PLC教學實訓裝置。首先提煉大量工作場景：在工廠里，大批量的自動化生產中，比如“加工中心”中的自動換刀操作、自動化生產線的上、下料等操作；在不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產中，比如實現自動抓取、分揀、搬運等操作。進而對該裝置提出了這樣的一種設計要求：即要求該裝置是一種能夠按照使用者編寫好的PLC程序、運行軌跡和生產過程的要求，實現工廠中比如自動抓取、分揀、搬運等一系列操作的自動化機械裝置。

二、實訓裝置的組成

面向工廠應用的PLC實訓裝置主要由5部分組成，分別是控制系統、驅動系統、執行機構以及檢測裝置、工件等。這5部分互相關聯，共同實現功能，實訓裝置組成方框圖如圖1所示。

（一）控制系統

控制系統采用了PLC作為實訓裝置的控制中心，利用PLC的邏輯控制實現對執行機構的點位控制。根據工廠實際生產要求，確定裝置動作流程，編寫對應的程序，實現相應的功能。方便快捷、易用易維護。學生通過各種場景的工作要求，進行編程訓練，提升技能。

（二）驅動系統

驅動系統采用氣壓傳動方式。由于氣動控制具備動作迅速、反應快、維護簡單、工作介質清潔、工作環境適應性好的特點，氣動元件具備結構簡單、便于加工制造、成本低廉、使用壽命長、可靠性高的特點，綜合各方面考慮，本裝置采用氣壓傳動方式。同時，學生可以通過氣動系統學習氣動回路的設計、元器件的選用、安裝調試的知識。

（三）執行機構

本實訓裝置設計有水平伸縮運動、垂直升降（上下）運動、順時針方向及逆時針方向旋轉運動，采用氣缸和立柱實現。末端執行裝置的夾緊、放松動作采用夾爪氣缸實現。

（四）檢測裝置

檢測到執行機構的位置信息或物料的信息，按照程序要求，控制執行機構的動作。有位置傳感器、霍爾開關、接近開關、氣缸傳感器、金屬、非金屬檢測傳感器等。

（五）工件

工件可以是多種形式的，可以通過更換配套的檢測裝置實現不同功能。此處我們可以設計一處有坡度的導軌槽，內放金屬球體和非金屬球體。當執行機構夾起工件分揀后，放至導軌槽內，工件順坡度滾下，可以實現自動循環送工件，方便實訓裝置動作展示。

三、實訓裝置的設計

（一）氣壓傳動系統設計

氣壓傳動由氣源、氣動執行元件、氣動控制閥和氣動輔件組成。氣源由空氣壓縮機提供，經分水濾氣器凈化、油霧器改善空氣潤滑性能，消聲器消除噪聲，管子聯接件傳導等，進入氣動控制閥來調節氣流的方向、壓力和流量，把壓縮氣體的壓力能轉換為機械能，用來驅動工作部件動作。

氣動回路的設計主要是根據控制要求，通過選用合適的控制閥、換向閥，來調節氣缸的速度，控制氣缸的動作方向。本裝置設計的氣動回路圖，如圖2所示。

本實訓裝置通過在氣缸的進出口回路處設置單向節流閥，來調節氣缸的運動速度。通過選用兩位五通電磁閥，來控制氣缸的運動方向。通過機械方式，實現氣缸水平限位。實訓裝置氣動回路元件見表1。

（二）PLC控制系統的設計

本實訓裝置采用可編程序控制器（PLC）進行控制， 采用原有PLC實訓室松下PF0系列可編程序控制器。

通過分析，該裝置的動作主要有水平伸、縮運動；垂直升降（上下）運動、順時針方向及逆時針方向旋轉運動，以及末端執行裝置的夾緊、放松動作。

1.實訓裝置的工作流程

假設此實訓裝置用于分揀場所工作時：

當按下實訓裝置啟動按鈕之后，實訓裝置有如下動作：

初始位→下降至下限位開關→夾爪抓緊，抓取物品→檢測物品性質為非金屬→上升至上限位開關→逆時針轉動90°→伸長至右限位開關→夾爪松開→延時T→收縮至水平左限位開關→順時針轉動90°→下降至下限位開關→夾爪抓緊，抓取物品→檢測物品性質為金屬→上升至上限位開關→伸長至水平右限位開關→夾爪松開→收縮至水平左限位開關（初始位）。至此，一個工作循環完畢。

2.輸入輸出（I/0）分配

根據系統輸入輸出點的數目，選用松下FP0-C32T的PLC，它有16個輸入點，標號分別為X0-XF，16個輸出點，標號為Y0-YF。本系統的輸入輸出分配表見表2。

3.程序（略）

四、實訓裝置效果圖（如圖3所示）

結論

本文提出的“面向工廠應用的PLC實訓裝置”是將工廠車間機電部分實際情況加以還原，來開發的PLC教學實訓裝置，工業應用場所多，具有代表性。通過該實訓裝置的操作、學習及實訓，機電類學生可以更好的了解、掌握氣動傳動方式、氣動元件結構、氣動回路設計等，掌握電氣控制技術、PLC可編程序控制技術、編程方法等，實現機電一體化的學習，快速適應工業現場工作。

參考文獻

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