基于PLC的“可視化技能訓練支援系統”的設計

文/曹拓

1 引言

“職業院校學生技能的有效訓練”一直是困擾一線教師的一個難題。以“機電設備組裝的技能訓練”為例，在訓練過程中的問題主要體現在機電設備品種眾多，各個設備的安裝步驟和使用的零部件也各不相同；組裝操作過程繁瑣、難度大，學生無法100%防止失誤，而這些失誤僅靠教師一個人又無法全面、有效的把控。為此，本文提出了基于PLC的“可視化技能訓練支援系統”，下面將從系統組成及工作原理、硬件選型、軟件設計對其進行說明。

2 系統組成及工作原理

文中介紹的“可視化技能訓練支援系統”目前適用于YL-235A光機電一體化設備物料盤、機械手、皮帶輸送機的組裝技能訓練。該系統由組裝操作指示書、觸摸屏和配有指示燈、光電傳感器的零部件貨架構成，從以下兩個方面輔助學生完成組裝技能訓練。

2.1 取出正確的零部件

使用時，學生只需在觸摸屏上選擇要組裝的設備，觸摸屏上就會顯示出該設備當前工序要準備的零部件及數量等圖文信息；同時貨架上存儲該零部件對應位置的指示燈點亮，指示學生從該位置取出；在取出零部件時（通過光電傳感器檢測），該位置的指示燈熄滅，觸摸屏上更新顯示下一所需零部件的圖文信息，同時貨架上存儲下一零部件對應位置的指示燈點亮。

2.2 使用正確的方法組裝設備

當學生取出當前組裝工序所需的所有零部件后，在其前方的觸摸屏上將顯示組裝固定部位、順序等詳細的指示，同時點亮需要使用的工具所在位置的指示燈，學生使用該工具完成安裝放回該位置后（通過光電傳感器檢測），下一個要使用的工具所在位置的指示燈點亮，從而確保學生能夠正確掌握每個零部件的安裝順序并正確區分使用工具。

3 系統硬件選型

3.1 輸入/輸出設備

輸入設備選擇歐姆龍E3Z-R61回歸反射型光電傳感器，輸出設備選擇DC24V的LED信號燈。

3.2 觸摸屏

觸摸屏是“可視化技能訓練支援系統”的重要組成部件，根據支援系統的控制要求在選擇觸摸屏時，主要從能否提供“簡單靈活的可視化操作界面設計”及“豐富、生動的多媒體畫面”這兩個方面來考慮。據此，本系統選用昆侖通態mcgsTpc嵌入式一體化觸摸屏TPC7062K。

3.3 PLC選型及接線

PLC是整個“可視化技能訓練支援系統”的核心，根據支援系統的實際控制要求，可知本系統中組裝物料盤需要2種部件、機械手需要9種部件、皮帶輸送機需要14種部件。同時這三種設備的組裝需要使用4種螺釘，而這些螺釘及部件需要使用3種不同的內六角扳手及1把尖嘴鉗進行緊固。

為此，可確定所有部件及工具在貨架上的位置指示需要33個指示燈；而三種設備零部件取出的確認可采用共用光電傳感器的方式進行檢測，共需要20個光電傳感器。固本系統選用FX3U-48MR/ES-A型PLC作為控制單元，同時選用FX2N-16EYR擴展PLC的輸出端子。最終進行I/O地址分配和PLC內部軟元件分配，具體的輸入、輸出接線不再贅述。

關于觸摸屏與PLC之間的通訊方式，本系統通過FX3U-485-BD功能擴展板實現觸摸屏與PLC的通訊。

4 控制程序設計

本支援系統軟件由PLC控制軟件和MCGS組態軟件兩個部分組成。PLC控制軟件采用三菱GX Developer編程軟件完成各控制程序的編寫和調試，觸摸屏監控程序采用MCGS組態軟件設計。

4.1 PLC控制軟件設計

PLC控制軟件設計可采用經驗設計法、順序功能圖設計法等，由于順序功能圖設計法是按照工藝預先規定的順序，以步為核心，以各步之間的轉換條件為觸發信號，以各步對應的動作功能為驅動輸出，從首步開始一步一步設計程序的方法，適用于帶有跳轉和循環的自動控制程序的設計，所以本系統采用順序功能圖設計法。

本支援系統PLC控制軟件由1個梯形圖塊和2個SFC塊程序組成。其中1個SFC塊程序用于實現物料盤、機械手、皮帶輸送機各設備組裝的具體操作指示，另1個SFC塊程序則用于實現各設備零部件回收的指示。最終，在SFC塊中采用選擇序列、跳轉及循環結構完成本系統控制程序的設計。

4.2 MCGS監控軟件設計

本支援系統觸摸屏監控軟件的設計，通過MCGS組態軟件按照如下流程完成：

（1）建立工程項目；

（2）通過用戶窗口設置人機交互界面；

（3）定義數據對象，建立實時數據庫；

（4）動畫連接；

（5）設備連接，選定與設備匹配的設備構件。

具體設計時，結合系統控制要求分析，確定觸摸屏監控畫面有6個，包括：登錄、選擇組裝設備、設備組裝操作指示、選擇回收設備、零部件回收操作指示、操作信息統計界面。在界面中，主要采用的構件有標簽、標準按鈕、位圖、動畫顯示、歷史表格。其中，在設備組裝操作指示界面中零部件安裝位置及方向的指示，分別通過MCGS軟件中“標簽”構件的閃爍及移動效果屬性實現。在操作信息統計界面中關于學生訓練過程中操作時間的統計，通過歷史表格并采用連接MCGS歷史數據庫變量實現對指定歷史記錄的顯示和統計。

5 結語

本文介紹了基于MCGS和PLC的“可視化技能訓練支援系統”，該系統可以讓學生正確的選擇和使用零部件，在學生技能訓練初期，有效地減輕教師的負擔。同時，通過統一組裝操作方式及流程，也為進一步的改善提供了契機。例如，當所組裝完成的設備不良集中在特定部位時，而這一問題又與學生的經驗成正比，就可以進一步分析熟練學生與新手學生的技能差異，進而有針對性的向新手學生傳授不足的技能。