PLC综合实训教学装置的设计与应用

何军虎 吴斌 雷晶 湖北商贸学院 实验中心

引言

随着《中国制造2025》制造强国战略的不断推进，各高校纷纷围绕着“五大工程”“十大领域”展开教学研究。“PLC技术与应用”课程是电气工程、机电一体化、自动化等相关专业开设的一门实践性强的专业课程，是培养智能制造应用创新型人才的重要支撑。其教学目标是通过实践训练使学生熟练掌握可编程控制器（Programmable Logic Controller简称PLC）的应用，提高工业控制系统的设计和实践水平。

1 系统设计

1.1 设计思路

用仿真软件可以作为该课程的实训教学，但效果不理想，没有实践操作经历和体验，难以满足专业能力的培养和提高。为此，非常有必要设计一套紧密联系教学大纲，集认识、应用、组装、调试、设计为一体贴近工程实践的实训教学装置，帮助学生更好的掌握和运用所学的知识。

1.2 系统组成

常用电气控制系统主要由输入设备、逻辑控制单元、执行机构三部分组成。输入设备用于采集现场信号输送到系统，比如开关按钮，信号传感器等装置。另外，触摸屏及组态技术能够为复杂控制系统提供友好的人机交互界面；逻辑控制单元主要是对输入信号进行逻辑运算、数据处理，处理完成后的控制信号用于控制执行机构,该功能可通过传统继电控制线路或PLC编程均能实现，但PLC编程更灵活，可靠性更高，工程应用更广泛。执行机构负责直接驱动负载，常用的有接触器、变频器、电磁阀、伺服控制器等。变频器具有优异的调速和起动性能，传动效率高、功率因数高、节电效果明显等优点被人们广泛应用于各行各业。

如图1所示，该装置主要由信号输入部分（开关按钮、信号传感器）、控制部分（PLC、继电接触器系统）、执行部分（变频器、接触器）控制对象（三相交流异步电动机、指示灯）、电源与漏电保护、编程PC和触摸屏组成。

1.3 装置结构

实训装置结构如图2所示，采用上下分层的布局。上支撑板①上设有②触摸屏、③传感器、④指示灯、⑤模式转换开关、⑥控制开关和⑦急停开关；⑧下底板上设有⑨变频器、⑩辅助电源、PLC控制器组件、漏电保护型断路器、接触器、热继电器和⒂接线端子。

上支撑板选用透明的有机玻璃板，具有较好的绝缘性能和机械强度，元器件之间连接的导线采用绕线管固定。下底板选用绝缘性能良好的电木材料，除变频器外所有元器件采用DIN方式安装，导线采用PVC线槽固定。上支撑板和下底板之间用四根螺栓连接，且上下板连接导线沿螺栓用绕线管固定。线路安装时，拆下螺母即可将上支撑板沿着下底板出线侧翻转过来。该结构一方面便于组装、测试，另一方面设备通电时，能够将带电元器件隔离开来。所有元器件厂商选择国内外优质品牌，确保产品质量可靠耐用，并且功能上满足教学要求，售后完善。主要器件清单，见表1。

表1 主要元器件清单

PLC控制器选用三菱公司生产的FX2n系列模块。该控制器扩展设备丰富，指令功能强大，可以扩展温度传感器输入、脉冲输出、高速计数、RS-485/232通信等模块，具有平方根运算、浮点数运算、PID运算等复杂控制指令。变频器选用ABB公司生产的ACS51型产品，该变频器采用直接转矩控制（DTC）、三电平技术，具有运行可靠，效率高等特点，主要用于三相笼型异步电动机的控制。电动机选用使用广泛的三相交流异步电动机，同时也可以通过接线端子更换为步进电机、伺服电机等其他控制对象。系统电源采用“双电源”供电。将220V和380V分开管理，220VAC用于PLC和传感器等辅助供电，给学生提供静态调用电。380VAC用于主电路调试用电，电源由老师管理。当学生静态调试无误，经老师检查同意后才能通电调试主电路。

1.4 装置的特点

（一）实践性强。学生通过各种元件的认识、组装、编程和调试的过程中提高自身的动手能力和解决实际问题的能力。从学习电机的控制原理到各种控制电路的连接，从PLC软件编程、组态设计到系统整体调试，学生通过训练可以掌握常用低压电气控制电路的工作原理和设计过程，更好的将理论知识运用于工程实践，因此具有较好的实践性。

（二）扩展及兼容性好。该装置的下底板采用DIN导轨安装元器件，可根据教学需要增减电气元件、执行部件和其他功能模块，也可以和其他实验装置联机使用，因此具有较好的扩展性兼容性。

（三）创新条件优越。学生可在实训装置上完成各种PLC 典型应用的设计与实践，通过训练不断提高PLC控制系统的设计和调试水平。

（四）安全防护齐全。该装置电源模块采用漏电保护功能的断路器，电动机采用接地保护，结构部分大量采用绝缘材料。同时上下分离的结构，使得学生在上层操作时碰到下层电气元件的概率降低，进而降低触电风险。因此，用电安全以及防护较好。

2 实训内容及项目案例

2.1 实训内容

实训内容包含基础实验、综合实验、设计实验和扩展实验四个部分。基础实验主要是包括PLC系统的认识和系统设定；熟练掌握编程软件的操作方法；完成指令系统的训练，熟练掌握各条指令的性能特点。综合实验包括熟练掌握各条指令的应用，能够运用这些指令进行简单的开关量控制程序设计。设计实验包括利用PLC对较复杂的工业过程进行控制；掌握模拟量模块的软件设定，以及模拟量控制程序设计。扩展实验包括变频器的使用与参数设定；触摸屏的使用以及组态的设计；由PLC、变频器和触摸屏组成更为复杂的创新型项目式综合设计。下面以“电动机循环正反转的PLC控制实训”为例，介绍其在“PLC技术应用”实训教学中的应用。

2.2 实训案例

电动机循环正反转的PLC控制实训为综合性实验，实验目的在于要求学生熟悉PLC控制系统的设计和实践过程，提高实践水平以及分析处理故障的能力。具体完成以下实验步骤：①根据控制要求，完成I/O分配，见表2所示。②参照电动机正反转主电路图连接线路，作出PLC控制系统接线图，见图3所示。③梯形图程序设计，见图4所示。④系统静态调试和主电路调试，直到各功能运行正常。

表2 I/O分配表

3 总结

根据《PLC技术与应用》课程的教学大纲设计的PLC综合实训教学装置，它具有实践性强、兼容性好、创新条件优越、安全防护齐全等特点。将典型的智能制造工程中用到的PLC应用技术、传感器技术以及变频器技术有机结合起来，更好的解决应用型本科院校相关专业学生的综合实训需求，为提高学生的工程实践水平以及创新能力提供新的途径。