開放式PLC 控制實驗實訓裝置設計與研究*

王曉娟，趙金金

（內蒙古電子信息職業技術學院電子與自動化學院，呼和浩特 010070）

1 引言

隨著我國信息化和工業化技術的深入融合，“中國制造”也逐步在向“中國智造”轉換，使得社會對工控自動化專業的技術人才需求也在不斷發生變化[1]。對于各大高職院校而言，培養自動化人才的規格也必須與時俱進，不僅需要掌握基本的電氣控制技術，同時需要掌握現代化的通用自動控制器（即可編程控制器，簡稱PLC）的控制系統開發。在這樣特定的要求下，各大高職院校對于電氣自動化人才培養配套的實驗實訓裝置也需同步進行更新[2]。現有實訓設備大多為封閉式集成電氣設備，集成電氣設備功能單一，缺少采集各種信號的傳感器裝置，無法滿足信號檢測控制需求。同時，過于強調模擬性，實驗結果以驗證性為主，與企業實際生產差距較大，且產品設計模塊化，難以實現實訓裝置在電氣設備安裝、接線、調試方面的應用和技能培養，產品精度較低、兼容性較差。鑒于上述存在問題，以往全封閉式的PLC 教學實驗裝置結構亟需改進。本研究綜合工業現場應用的通用對象與實用案例，設計一套開放式PLC 綜合實驗實訓裝置，以因應未來實訓設備的發展趨勢。

2 實訓裝置設計思路

PLC 控制系統實訓裝置具有完全開放、安全性高等特點。它改變了傳統封閉式實驗箱的構建方式，采用了器件外露、端子接線的方式，符合現代工業控制設計標準[3]。實訓裝置的設計須體現科學合理性，使得對元器件的認知、選擇、檢測更加直觀，便于安裝、調試及檢修等任務的完成[4-5]。裝置設計技術路線如圖1 所示，包含構架設計、元器件布局設計、虛擬仿真、任務測試、實物安裝調試等環節。裝置當中的電氣設計及布局皆以相關的國家電氣設備安全技術規范為標準。

圖1 裝置設計技術路線圖

實訓裝置的完全開放性是設計的關鍵。裝置整體布局圖如圖2 所示，包括電源系統、可編程控制器PLC、觸摸屏、開關量輸入輸出設備、傳感器、電機控制模塊、變頻器、被控對象機械手以及上位機等部分。通過硬件裝置的構建，PLC、觸摸屏、電機控制模塊等可以根據學習者的學習需求選擇不同品牌的設備進行實驗。

圖2 裝置整體布局圖

開關量輸入設備、傳感檢測等元器件都選用工業級標準傳感器，以滿足模擬應用的普遍性需求。除了執行機構之外，各個模塊的元器件都掛靠在網孔板上，確保實訓裝置的整體構建布局合理，符合電氣控制的標準和布局原則。

3 裝置具體設計

3.1 可編程控制器PLC

選用西門子S7-200 系列PLC 作為核心控制器。這種PLC 具有高度的可靠性和穩定性，適用于各種工業控制場合[6]。在實際調試中，也可以替換為其他品牌的PLC，以滿足不同客戶的需求。在選擇PLC 時，一個關鍵考慮是要具備高速脈沖發生器，以實現對伺服電機和步進電機控制，實現高精度的位置控制和速度控制，從而提高整個裝置的穩定性和性能[7-8]。

為便于編程和操作，PLC 應具備相應外圍設備連接端口，用來連接各種輸入輸出設備、傳感器和執行器等。PLC 還應具備操作終端接口，連接人機界面（HMI）設備，實現更加直觀和便捷的操作方式。

3.2 輸入模塊設計

輸入模塊包含開關量輸入輸出設備。例如：系統工作必需的啟動、停止、急停等按鈕，以及開關和行程開關等。傳感器包含位置檢測限位傳感器、物料檢測光電傳感器等。輸入端接線示意圖如圖3 所示。

圖3 PLC 輸入端接線示意圖

輸入端各元器件采用直流24V 標準電壓，也可采用自帶24V 電源。傳感器線選擇三線制，包含電源正反極及信號線；信號線按分配表進行連接。各元器件選擇均需按實際工程標準進行，合理設置走線布局；通過插拔式端子板接入PLC 輸入端。在實際應用中，可根據實際項目要求，自行選擇相應器件，按電氣控制圖繪制標準接線圖，最終完成線路連接及調試。

3.3 輸出模塊設計

輸出模塊包含電機控制模塊、繼電器、電磁閥、步進驅動器等器件，同時也包含變頻器模塊，示意圖如圖4 所示。各部件均獨立掛靠于網孔板，不加封閉外殼，便于觀察器件的工作過程，并對工作過程進行故障的檢測和排除。在實際應用過程中可根據需求選擇相應部件進行項目設計實施。各輸出負載選用標準電氣元件，如各負載額定電壓不同，則應按公共端1L、2L、3L 分類設計安裝，確保輸出能正常工作。

圖4 PLC 輸出端接線示意圖

3.4 執行機構

執行結構為裝置控制對象，基于裝置開放性，選取物料傳送裝置、物料加工、物料裝配、機械手裝置、運料小車等典型的控制對象，作為執行機構單元。每一套裝置都是一個獨立控制系統，通過實訓裝置設計，將氣動技術、傳感技術、通信技術、組態技術融入裝置項目，增強裝置的綜合性及實用性。

4 仿真調試

為節約設備制造成本，增強設備運行可靠性，項目采用虛實結合方法。在硬件裝配前，在仿真系統中對項目硬件進行模擬裝配調試，并對項目任務進行程序設計及仿真測試，確保在系統能正常運行條件下，購置相應器件進行系統裝配，并結合實際情況完成裝配及項目任務調試。

系統模擬調試包含元器件選擇、檢測、元器件布局、系統模塊布局、系統安裝、項目測試。在虛擬環境下完成裝置調試，既節約成本，又發揮了設計裝置的靈活性，有助于達到最優硬件系統設計。系統仿真案例生產線分揀系統布局如圖5 所示。

圖5 實訓裝置虛擬仿真示意圖

本案例程序設計采用以轉換條件為中心的順序控制設計法，部分調試程序如圖6 所示。經項目測試和程序調試可知，裝置硬件設計及項目程序設計能按控制要求完成相應任務，在實際教學當中達到了對安裝、運行、調試、故障排除等技能的訓練目的。

圖6 分揀系統案例的部分調試程序

5 結束語

PLC 控制系統開放式實訓裝置的設計主要是針對封閉實訓裝置中存在的不足，通過開放式硬件系統構建，基于企業應用項目內容設計，為使用者提供了一個與企業實際操作模式接軌的實踐操作平臺，助力于使用者學習和創新，切實提高電氣控制和PLC 控制的實踐技能在裝置上的綜合應用，在高職院校工控類專業設備建設中具有一定的推廣價值。