人技“具身”型PLC 綜合實訓裝置設計及教學應用

苗沛沛，張希

（江蘇省連云港中等專業學校，江蘇連云港，222000）

1 研究背景

《可編程控制器技術及應用》課程來源于工業自動化生產設備的控制、運行、技術改造、維護管理等工作任務，是中高職電子技術應用專業的一門專業實習課程。PLC 實訓課程通常采用理體一體化和項目式實訓教學方式，因此，PLC 綜合實訓裝置是支持學生實訓學習硬件支撐。我校原來采用三菱PLC 實驗臺，使用固定面板和專用實驗接頭，具有接線方便、安全等優點為，但不可避免地形成了功能單一、操作不便，實訓項目少、不能靈活組合，與工業現場和工程項目脫節、與實際應用不同步，檢修、維護不便等現實困境。一方面導致PLC 實訓教學質量很難保證，另一方面，現有的基于“離身”認知的PLC 實訓設備無法有效促進學生對技能的遷移應用。出現了部分學生畢業后到工業現場無從下手的現象。隨著“具身認知”理論逐漸深入與擴展，為新型人技“具身”型PLC 綜合實訓裝置的設計帶來了全新的機遇。針對上述困境，基于電子技術應用專業人才培養方案、PLC 實訓課程要求、學生認知規律以及技能形成規律，配套開發一款基于人技具身關系的新型PLC 綜合實訓裝置，是中高職PLC 實訓教學的重要支撐。

2 人技“具身”型PLC 綜合實訓裝置系統設計

■2.1 設計原理

人技“具身”型PLC 綜合實訓裝置是一種創新的實訓學習環境生態，基于電子技術應用、電氣控制與運行等多學科集成，更加關注職校生的身體在場、感知、參與，該實訓裝置的設計盡可能讓職校生身臨其境，“吞噬”感知體驗，有效調動身心參與，是培養學生工程思維、安全意識、工匠精神等核心素養的重要場所。

人技“具身”型PLC 綜合實訓裝置可直觀地進行PLC實際應用模擬實訓和實物控制實訓，主要采用開放式、模塊化設計結構，主要表現為兩個優勢：一是元件布局合理，主機、邏輯控制區、變頻器控制區等相對獨立，模塊種類豐富，包括電源、PLC、觸摸屏、電機、溫控、氣動、電梯、十字交通燈、運料小車等工業現場設備模擬實訓對象，師生可根據課程要求獨立使用某個實訓項目模塊進行單獨實驗，又可與其他設備組合起來進行聯調實現綜合實驗，從基礎到綜合、從易到難，操作方便，擴展性強；二是組合靈活，每個部件都可獨立拆卸，維護方便，更換便捷，根據技術發展、產業升級、實訓要求等對部件進行更新換代，使實訓設備不會被淘汰。

在這個裝置中，職校生與PLC 綜合實訓裝置之間的關系實際上是雙向建構互利共生的：一方面，職校生在PLC綜合實訓裝置中學習和發展；另一方面，職校生也在不斷促進實訓裝置的重塑。從這一意義上來說，PLC 綜合實訓裝置是突破“機械”隱喻、可更新、可拓展的“有機體”，其構建是一個自適應的生成過程。

■2.2 硬件結構設計

PLC 綜合實訓裝置系統結構如圖1 所示，由德國西門子S7-1200 系列的PLC（CPU1214C DC/DC/DC）、昆侖通態MCGS 觸摸屏HMI（TPC1061Ti）、西門子V20 型變頻器、模擬控制實訓對象、實訓仿真教學軟件、工控組態軟件、編程計算機等組成，主要硬件選型如表1 所示。

表1 PLC綜合實訓裝置硬件選型

圖1 PLC 綜合實訓裝置結構圖

（1）可編程控制器PLC 選型：西門子S7-1200 系列

PLC 綜合實訓裝置中的核心部件采用了德國西門子PLC的S7-1200 系列，CPU 型號選用1214C DC/DC/DC，CPU將集成電源、微處理器、輸入和輸出電路組合到設計緊湊的外殼中形成了功能強大的PLC。S7-1200 提供了多種信號板和信號模塊可以給CPU 增加I/O，具有4 個數字量I/O 和1路模擬量輸出的SB，極大增強了CPU 的擴展能力。

西門子S7-1200 系列主要用于處理機械設備制造和工業現場的開環、閉環控制任務，適用于廣泛的自動化控制，其應用多用于復雜自動化任務，如物料傳送、金屬加工機械、混合系統等等。

（2）人機界面：MCGS 觸摸屏

實訓裝置采用了昆侖通態MCGS（Monitor and Control Generated System）觸摸屏HMI（TPC1061Ti），工作電壓24V，MCGS 工控組態軟件基于 Windows 平臺運行，能編輯形象直觀的組態棒圖，按照控制要求進行實時控制、圖像監控及數據采集，實現PLC 控制過程的可視化監測，動態跟蹤實訓教學。同時通過對數據的采集、處理，以動畫顯示、流程控制、報警處理和報表輸出等方式輸出信息。

（3）變頻器選型：西門子V20

該裝置變頻器選用西門子公司V20，輸出功率覆蓋 0.12 kW～30kW，具有 USS 和MODBUS RTU 通信端子、7.5 kW～30 kW 變頻器集成制動單元，符合電磁兼容性（EMC）C1/C2 等級。V20 變頻器內置應用宏與連接宏，無需連接主電源即可實現參數載入，穩定性強，易于使用。

（4）通訊模塊：RS232、RS485

基于S7-1200 系列PLC 綜合實訓裝置提供了兩種通信（CM，Communication Module）模塊，即RS232 和RS485，S7-1200 的CPU 最多支持3 個通信模塊，各CM連接在CPU 的左側（或連接到另一CM 的左側）。實訓學習中，將PLC 自帶的網線下載口，PLC 輸入端口通過DB25針接口、線路中涉及USB 口、串口都接到通信模塊板上，再將通信模塊安裝在控制柜右側板上，網口接網線進行程序下載、上位機與各設備之間的通信，下載選用的連接線需具備屏蔽功能。

■2.3 TIA 博途V15 編程軟件

PLC 綜合實訓裝置選用的西門子公司發布的編程軟件為TIA portal 博途V15，是一款統一工程組態及軟件項目環境的全集成自動化軟件。作為中高職自控學生，安裝、操作、下載、熟練使用博圖軟件是必備的基礎技能之一。安裝時，因為包括軟件和仿真，其占用空間較為龐大（7G 左右），當系統內含其他第三方軟件可能導致安裝不成功，所以要盡量純凈安裝，切記，不能開啟任何殺毒軟件；使用中，添加對應的主機型號（S7-1200_ CPU1214C DC/DC/DC_6ES7 214-1AG40-OXBO），通過軟件編程，學生不僅可以直觀、快速地調試自動化系統，還能夠實時在線狀態監控。

■2.4 技術性能參數

基于S7-1200 系列PLC 綜合實訓裝置技術性能參數符合國家電工電子類實訓基地儀器設備配備標準，如表2 所示。裝置整體外形尺寸長為1000mm、寬為5000mm、高為1800mm，裝置容量＜1.5kVA，重量120Kg，工作環境的溫度一般在-10℃～+40℃之間，相對濕度＜85%（25℃），輸入電源采用三相四線制 380V±10%，頻率為50Hz，電源輸出安裝漏電、過載及短路保護器，并裝有漏電流、漏電壓保護等安全保護裝置，可靠性與集約性較高，不僅能夠保證設備安全運行，還能保證PLC 和觸摸屏有效控制與傳輸信號。

表2 PLC綜合實訓教學裝置技術參數

3 具身教學應用案例“裝配流水線模擬控制”

■3.1 “裝配流水線模擬控制”控制要求

具身教學應用案例選取“裝配流水線模擬控制”實驗模塊，具體面板如圖2 所示，控制要求如下：按下啟動開關按鈕ON，起動整個傳送系統，工件開始在傳送帶移位。按下停止按鈕OFF，裝配流水線停止工作。

圖2 裝配流水線模擬控制實驗模塊

（1）實訓目的

了解移位寄存器指令（包括左移位，右移位指令）在控制系統中的應用及編程方法；通過使用移位寄存器指令，簡化“裝配流水線模擬控制”系統程序設計。

（2）實訓原理

移位寄存器指令操作過程：若在輸入端輸入一串脈沖信號，在移位脈沖作用下，脈沖信號依次移到移位寄存器的各個繼電器中，并將這些繼電器的狀態輸出，每個繼電器可以在不同的時間內得到由輸入端輸入的一串脈沖信號。

（3）端口地址分配

“裝配流水線模擬控制”I/O 地址分配如表3 所示。

表3 “裝配流水線模擬控制”I/O地址分配表

■3.2 PLC 編程思路與HMI 組態

分析“裝配流水線模擬控制”可知，傳送帶共有十六個工位，工件從1 號位裝入，分別在A（操作1）、B（操作2）、C（操作3）三個工位完成三種裝配操作，經最后一個工位后送入倉庫，其它工位均用于傳送工件。可見，ABC 三個燈模擬三個操作，DEFG 四組燈模擬四組傳送帶；工件從1號位裝入，分別在A（操作1）、B（操作2）、C（操作3）三個工位完成3 種裝配操作；經過最后1 個工位后送到倉庫（H）。DEFG 均是3 個燈一組的模擬傳送帶，都用于傳送工件；工件在傳送帶上開始傳送，經過DEFG 傳送后進行A 操作，再經過DEFG 傳送之后進行B 操作，再經過DEFG之后進行C 操作，然后再經過DEFG 傳送到倉庫。DEFG 一共三組，每組進行完之后進行一個操作ABC 然后到達倉庫。具體程序設計如圖3 所示。

圖3 “裝配流水線模擬控制”程序圖

在HMI 上組態模擬“裝配流水線”運行過程，需要組態啟動與停止按鈕，啟動停止選用位狀態設定元件，具體的“裝配流水線”組態界面如圖4 所示。在HMI 人機交互過程中，設計與模擬運行過程的可視化畫面有助于提高職校生的學習動機、理解演繹和學習效果。

圖4 “裝配流水線”監控畫面組態

■3.3 接線圖

圖2 中上框中的A～H 用LED 發光二極管模擬動作輸出，在系統接線時下框中的A、B、C、D、E、F、G、H 插孔分別接主機的輸出點Q0.0、Q0.01、Q0.02、Q0.03、Q0.04、Q0.05、Q0.06、Q0.07，啟動、移位及復位插孔分別接主機的輸入點X0、X1、X2，24V 接24V，COM 接GND。具體接線如圖5 所示。

圖5 “裝配流水線模擬控制”接線圖

4 小結

人技“具身”型PLC 綜合實訓裝置的設計貼近工業現場，滿足職校生體驗生產一線崗位的現實需求，賦予了職校生身臨其境的體驗。一方面提供了豐富的模塊化感知覺形態，如多種綜合實驗模塊，拓展職校生多重、深度感知工業現場信息的能力。另一方面，使用MCGS 觸摸屏的人機界面，直觀、生動、形象的畫面增強了知覺體驗，使職校生全身心沉浸在人技“具身”型PLC 綜合實訓裝置中，進而促進職校生對技能的探究，促進其學習動機越來越強烈，對實訓學習內容的理解越來越深刻，實訓學習效果越來越顯著。該裝置目前已投入使用一年，安全性、實用性以及可靠性均獲得認可，具有一定應用、推廣價值。