PLC綜合實訓教學裝置的設計與應用

何軍虎 吳斌 雷晶 湖北商貿學院 實驗中心

引言

隨著《中國制造2025》制造強國戰略的不斷推進，各高校紛紛圍繞著“五大工程”“十大領域”展開教學研究。“PLC技術與應用”課程是電氣工程、機電一體化、自動化等相關專業開設的一門實踐性強的專業課程，是培養智能制造應用創新型人才的重要支撐。其教學目標是通過實踐訓練使學生熟練掌握可編程控制器（Programmable Logic Controller簡稱PLC）的應用，提高工業控制系統的設計和實踐水平。

1 系統設計

1.1 設計思路

用仿真軟件可以作為該課程的實訓教學，但效果不理想，沒有實踐操作經歷和體驗，難以滿足專業能力的培養和提高。為此，非常有必要設計一套緊密聯系教學大綱，集認識、應用、組裝、調試、設計為一體貼近工程實踐的實訓教學裝置，幫助學生更好的掌握和運用所學的知識。

1.2 系統組成

常用電氣控制系統主要由輸入設備、邏輯控制單元、執行機構三部分組成。輸入設備用于采集現場信號輸送到系統，比如開關按鈕，信號傳感器等裝置。另外，觸摸屏及組態技術能夠為復雜控制系統提供友好的人機交互界面；邏輯控制單元主要是對輸入信號進行邏輯運算、數據處理，處理完成后的控制信號用于控制執行機構,該功能可通過傳統繼電控制線路或PLC編程均能實現，但PLC編程更靈活，可靠性更高，工程應用更廣泛。執行機構負責直接驅動負載，常用的有接觸器、變頻器、電磁閥、伺服控制器等。變頻器具有優異的調速和起動性能，傳動效率高、功率因數高、節電效果明顯等優點被人們廣泛應用于各行各業。

如圖1所示，該裝置主要由信號輸入部分（開關按鈕、信號傳感器）、控制部分（PLC、繼電接觸器系統）、執行部分（變頻器、接觸器）控制對象（三相交流異步電動機、指示燈）、電源與漏電保護、編程PC和觸摸屏組成。

1.3 裝置結構

實訓裝置結構如圖2所示，采用上下分層的布局。上支撐板①上設有②觸摸屏、③傳感器、④指示燈、⑤模式轉換開關、⑥控制開關和⑦急停開關；⑧下底板上設有⑨變頻器、⑩輔助電源、PLC控制器組件、漏電保護型斷路器、接觸器、熱繼電器和⒂接線端子。

上支撐板選用透明的有機玻璃板，具有較好的絕緣性能和機械強度，元器件之間連接的導線采用繞線管固定。下底板選用絕緣性能良好的電木材料，除變頻器外所有元器件采用DIN方式安裝，導線采用PVC線槽固定。上支撐板和下底板之間用四根螺栓連接，且上下板連接導線沿螺栓用繞線管固定。線路安裝時，拆下螺母即可將上支撐板沿著下底板出線側翻轉過來。該結構一方面便于組裝、測試，另一方面設備通電時，能夠將帶電元器件隔離開來。所有元器件廠商選擇國內外優質品牌，確保產品質量可靠耐用，并且功能上滿足教學要求，售后完善。主要器件清單，見表1。

表1 主要元器件清單

PLC控制器選用三菱公司生產的FX2n系列模塊。該控制器擴展設備豐富，指令功能強大，可以擴展溫度傳感器輸入、脈沖輸出、高速計數、RS-485/232通信等模塊，具有平方根運算、浮點數運算、PID運算等復雜控制指令。變頻器選用ABB公司生產的ACS51型產品，該變頻器采用直接轉矩控制（DTC）、三電平技術，具有運行可靠，效率高等特點，主要用于三相籠型異步電動機的控制。電動機選用使用廣泛的三相交流異步電動機，同時也可以通過接線端子更換為步進電機、伺服電機等其他控制對象。系統電源采用“雙電源”供電。將220V和380V分開管理，220VAC用于PLC和傳感器等輔助供電，給學生提供靜態調用電。380VAC用于主電路調試用電，電源由老師管理。當學生靜態調試無誤，經老師檢查同意后才能通電調試主電路。

1.4 裝置的特點

（一）實踐性強。學生通過各種元件的認識、組裝、編程和調試的過程中提高自身的動手能力和解決實際問題的能力。從學習電機的控制原理到各種控制電路的連接，從PLC軟件編程、組態設計到系統整體調試，學生通過訓練可以掌握常用低壓電氣控制電路的工作原理和設計過程，更好的將理論知識運用于工程實踐，因此具有較好的實踐性。

（二）擴展及兼容性好。該裝置的下底板采用DIN導軌安裝元器件，可根據教學需要增減電氣元件、執行部件和其他功能模塊，也可以和其他實驗裝置聯機使用，因此具有較好的擴展性兼容性。

（三）創新條件優越。學生可在實訓裝置上完成各種PLC 典型應用的設計與實踐，通過訓練不斷提高PLC控制系統的設計和調試水平。

（四）安全防護齊全。該裝置電源模塊采用漏電保護功能的斷路器，電動機采用接地保護，結構部分大量采用絕緣材料。同時上下分離的結構，使得學生在上層操作時碰到下層電氣元件的概率降低，進而降低觸電風險。因此，用電安全以及防護較好。

2 實訓內容及項目案例

2.1 實訓內容

實訓內容包含基礎實驗、綜合實驗、設計實驗和擴展實驗四個部分。基礎實驗主要是包括PLC系統的認識和系統設定；熟練掌握編程軟件的操作方法；完成指令系統的訓練，熟練掌握各條指令的性能特點。綜合實驗包括熟練掌握各條指令的應用，能夠運用這些指令進行簡單的開關量控制程序設計。設計實驗包括利用PLC對較復雜的工業過程進行控制；掌握模擬量模塊的軟件設定，以及模擬量控制程序設計。擴展實驗包括變頻器的使用與參數設定；觸摸屏的使用以及組態的設計；由PLC、變頻器和觸摸屏組成更為復雜的創新型項目式綜合設計。下面以“電動機循環正反轉的PLC控制實訓”為例，介紹其在“PLC技術應用”實訓教學中的應用。

2.2 實訓案例

電動機循環正反轉的PLC控制實訓為綜合性實驗，實驗目的在于要求學生熟悉PLC控制系統的設計和實踐過程，提高實踐水平以及分析處理故障的能力。具體完成以下實驗步驟：①根據控制要求，完成I/O分配，見表2所示。②參照電動機正反轉主電路圖連接線路，作出PLC控制系統接線圖，見圖3所示。③梯形圖程序設計，見圖4所示。④系統靜態調試和主電路調試，直到各功能運行正常。

表2 I/O分配表

3 總結

根據《PLC技術與應用》課程的教學大綱設計的PLC綜合實訓教學裝置，它具有實踐性強、兼容性好、創新條件優越、安全防護齊全等特點。將典型的智能制造工程中用到的PLC應用技術、傳感器技術以及變頻器技術有機結合起來，更好的解決應用型本科院校相關專業學生的綜合實訓需求，為提高學生的工程實踐水平以及創新能力提供新的途徑。