電氣控制與PLC工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目研究

王博 祁廣利 張航偉 楊立軍 向金龍

摘要：工程訓(xùn)練是高等教育的重要環(huán)節(jié)，目前在電氣控制方面的訓(xùn)練以普通的繼電接觸器控制為主，難以滿足當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的要求。我校開發(fā)了一種以PLC為控制主機(jī)的實(shí)訓(xùn)裝置，探究了新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。實(shí)訓(xùn)裝置具有價(jià)格低廉、開放性好的特點(diǎn)，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目也具有較強(qiáng)的可操作性，為高等學(xué)校的工程訓(xùn)練提供了理論及技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：電氣控制與PLC;工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目;實(shí)踐教學(xué);自動(dòng)化控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2020）21-0281-02

一、引言

工程訓(xùn)練是高等教育的重要環(huán)節(jié)，多數(shù)高校均開設(shè)了關(guān)于電氣控制方面的訓(xùn)練項(xiàng)目，目前以普通的繼電接觸器控制為主，其典型項(xiàng)目為三相異步電機(jī)啟動(dòng)停止及正反轉(zhuǎn)控制。隨著自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在工程訓(xùn)練中增加相關(guān)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的必要性突顯[1-3]。為了解決這一問題，有必要研制適合高校自己特色的實(shí)訓(xùn)裝置，并研究教學(xué)的實(shí)現(xiàn)方法。

二、實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)

結(jié)合我校實(shí)際，根據(jù)實(shí)訓(xùn)大綱中關(guān)于電氣控制與PLC的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，實(shí)訓(xùn)安排4天，每天1個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，有三相異步電機(jī)啟動(dòng)及正反轉(zhuǎn)控制、三相異步電機(jī)Y-Δ啟動(dòng)控制、液體混合PLC控制、十字路口交通燈控制，設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)裝置能夠滿足實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。裝置分為對(duì)應(yīng)的4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域相對(duì)獨(dú)立[4]。研制的電氣控制與PLC實(shí)訓(xùn)裝置樣機(jī)如圖所示。箱內(nèi)安裝了大量的端子排，供學(xué)生做實(shí)驗(yàn)接線用，PLC與輸入輸出設(shè)備的連接都是通過接線端在控制柜中連接的，因此這就增加了實(shí)驗(yàn)操作的靈活性，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力。

本實(shí)訓(xùn)裝置僅根據(jù)實(shí)訓(xùn)科目的要求設(shè)計(jì)制作，沒有無關(guān)的其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選用通用工業(yè)元件組裝實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)備的造價(jià)低廉，單臺(tái)造價(jià)在3千元左右，相比3—4萬的實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，裝備一個(gè)班級(jí)（30人）需要9萬元。

實(shí)訓(xùn)裝置面板及內(nèi)部布局

三、實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)

（一）教師講授基礎(chǔ)知識(shí)（30—40分鐘）

教師簡要的講授PLC的基本原理和PLC控制系統(tǒng)的組成，教學(xué)方法：項(xiàng)目教學(xué)法[5]。（10—15分鐘）

教師講解基礎(chǔ)知識(shí)力求簡明扼要，區(qū)別于電氣控制與PLC的課程教學(xué)或?qū)嶒?yàn)教學(xué)，課程或?qū)嶒?yàn)教學(xué)是一個(gè)系統(tǒng)的體系，從PLC工作原理、組成、接口電路、硬件軟件設(shè)計(jì)、程序調(diào)試均需要詳細(xì)的講解，并介紹實(shí)訓(xùn)所用到的低壓電器元件的基本動(dòng)作原理[6，7]。通過這種方法讓學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)了解PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試流程，對(duì)電氣控制與PLC系統(tǒng)有一感性認(rèn)識(shí)，而不是掌握復(fù)雜的編程知識(shí)，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練中的相關(guān)自動(dòng)化控制知識(shí)打下基礎(chǔ)，同時(shí)為后續(xù)自動(dòng)化相關(guān)課程的學(xué)習(xí)增加知識(shí)儲(chǔ)備。

（二）教師示范教學(xué)（30—40分鐘）

以三相異步電機(jī)控制項(xiàng)目為例，教師將4個(gè)按鈕端子排和PLC輸入端子排互聯(lián)，接觸器、指示燈端子排和PLC輸出端子排互聯(lián)，定義SB1為正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕、SB2為反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕、SB3為停止按鈕，將按鈕接入PLC輸入端子排;將KM1、KM2、KM3、KM4線圈端子排接入PLC輸出信號(hào)端子排;使用手持編程器將程序編寫三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)的程序入PLC，將PLC切換到運(yùn)行狀態(tài)，按下正轉(zhuǎn)SB1按鈕，電動(dòng)機(jī)將正轉(zhuǎn);按下反轉(zhuǎn)按鈕，電機(jī)將反轉(zhuǎn);按下停止按鈕，電機(jī)將會(huì)自由減速停止。在原系統(tǒng)接線不發(fā)生變化的情況下，定義SB1為啟動(dòng)按鈕、SB3為停止按鈕，教師編寫三相電機(jī)Y-Δ啟動(dòng)控制的程序，按下啟動(dòng)按鈕SB1，電機(jī)將進(jìn)入Y-Δ啟動(dòng)控制流程。教師借此現(xiàn)象向?qū)W生介紹PLC控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)的不同，PLC控制系統(tǒng)僅僅需要改變控制程序，無須改變外部線路即可實(shí)現(xiàn)不同的控制功能;然而繼電器基礎(chǔ)器控制系統(tǒng)往往需要重新更改外部線路來實(shí)現(xiàn)控制功能的變更，這也是PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。

（三）學(xué)生實(shí)踐（120—160分鐘）

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)踐，實(shí)訓(xùn)時(shí)將按鈕端子排X1，接觸器線圈端子排X2，經(jīng)過導(dǎo)線分別接入PLC的輸入信號(hào)端子排和輸出信號(hào)端子排。學(xué)生使用CPM1-CIF01 RS232適配器連接電腦和PLC檢查程序是否正確。具體步驟如下：

1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理分析被控對(duì)象的工藝條件和控制要求。

2.分配輸入/輸出接口電路，列出I/O分配表，并根據(jù)I/O分配表進(jìn)行接線，指導(dǎo)教師檢查學(xué)生符號(hào)表、I/O分配及電氣連線是否正確，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)進(jìn)行打分，此項(xiàng)分?jǐn)?shù)占總分的40%。

3.參照實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書上的PLC控制程序，通過計(jì)算機(jī)輸入控制程序，指導(dǎo)教師檢查程序是否正確，若有問題，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行改正，指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程環(huán)節(jié)打分，此項(xiàng)分?jǐn)?shù)占總分的40%。

4.老師檢查完畢確認(rèn)無誤后，學(xué)生通過操作按鈕對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)試。

5.學(xué)生將調(diào)試結(jié)果展示給指導(dǎo)教師，指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果打分，此項(xiàng)分?jǐn)?shù)占總分的20%。

6.評(píng)分結(jié)束后將線拆除放回原位，以備下次實(shí)驗(yàn)使用。

（四）總結(jié)討論（30—40分鐘）

在實(shí)訓(xùn)結(jié)束后，學(xué)生和教師在實(shí)訓(xùn)教室對(duì)本次實(shí)訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)討論，在此環(huán)節(jié)教師對(duì)電氣控制系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生思考其他工業(yè)、生活場合中電氣控制的廣泛應(yīng)用，并提示學(xué)生在各種競賽設(shè)計(jì)設(shè)備的動(dòng)作控制，可以參考實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)基于PLC的控制系統(tǒng)[8，9]。

四、總結(jié)

在工程實(shí)訓(xùn)科目中，傳統(tǒng)單一的金工訓(xùn)練科目正在向多科目的工程實(shí)訓(xùn)邁進(jìn)，電氣控制與PLC實(shí)訓(xùn)得到了越來越多院校的重視[10]。應(yīng)用新研制的電氣控制與PLC實(shí)訓(xùn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)控制、液體混合、交通燈控制等經(jīng)典PLC實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，具有成本低、開放性好的特點(diǎn)，經(jīng)我校工程實(shí)訓(xùn)中心試用反映良好，探索了工程訓(xùn)練教學(xué)新模式，現(xiàn)正在擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，將更多臺(tái)套的PLC實(shí)訓(xùn)裝置應(yīng)用到本科生工程實(shí)訓(xùn)中。

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Abstract： The engineering training program is one of important parts of higher education. Now the relay contact control circuit was the main content at present， which cannot meet the practical needs of the progress of automation technology. A new type of practical training device was developed to resolve this problem， and new training programs are developed. The device developed has the advantages of low cost， and good openness. The training program can be operated practically. It puts forward some theoretical & technical references for engineering training programs in colleges.

Key words： Electrical Control & PLC; engineering training program; practical teaching; automatic control system