基于PLC 的自动运料小车演示装置

郭琼

（江苏省宿城中等专业学校，江苏宿城，223800）

1 问题产生

依据教育部颁布的中职学校机电技术应用专业教学标准，学生通过《电工技能实训》课的学习，要能对常用低压电器及配电装置进行安装与维修，能对电气控制线路进行安装。此外，学生还要掌握《电器与PLC 控制技术》，能对可编程控制器控制系统进行安装、调试、运行和维护。

在教学过程中发现，中职学生对学习缺乏正确认识，对未来也没有明确的规划，在实训学习过程中他们缺乏主动性、积极性，多数学生是被动的完成实训项目。另一方面，他们的学习理解能力较差，不能完全掌握相应的知识，无法正确理解电气控制线路的工作过程。现将教学过程中发现的几个问题总结如下：

（1）通常实训室不配备电脑，动画仿真不便于应用。虽然借助视频、动画演示等可以将电路的工作过程直观展示出来，如图1、图2 所示，将抽象的知识可视化，但是实际教学过程中需要将理论教学和实践教学分开，教学效果的提升不明显。

图1 异步电动机联锁政法转控制演示动画

图2 电动机控制演示动画

（2）缺乏实物模拟，学生无法想象控制电路在具体的生产、生活中的应用情况。教师课前完成电路，在实训室通电试车进行演示教学，如图3、图4 所示，将抽象的知识实物化，但是学生无法将电动机的转动与机械的运行联系起来。

图3 教师演示线路的检测

图4 教师演示线路的运行

图5 企业智能化生产场景1

（3）企业生产已经向智能型转化，中职生电工技能不能满足企业的技术要求。随着经济的发展和科技的进步，企业生产已经从机械化向智能化方向发展，如图5、图6 所示。而中职学生的电工技能基本上还停留在继电器、接触器控制阶段，不能满足企业的技术要求，会被市场所淘汰。但是对于《电器与PLC 控制技术》的教学，学生普遍反映太难。

图6 企业智能化生产场景2

因此，基于PLC 设计一种自动运料小车演示装置，要求结构简单、接排线清晰、控制方便，不仅可以为《电工技能实训》教学提供演示帮助，还可以为后续《电器与PLC控制技术》的教学打下基础。

2 设计过程

2.1 项目描述

设计一种运料小车，小车运行示意图如图7 所示，可完成装料、卸料、左行、右行等动作。

图7 运料小车运行示意图

具体的控制要求如下：

小车在初始位置A 时压下限位开关SQ2，按下自动起动按钮SB1 后，小车在位置A 处装料10s，向右行驶至位置B 压下限位开关SQ3，小车停止，卸料8s；然后向左行驶至位置A 压下限位开关SQ2，小车停止，装料10s；继续向左行驶至位置C 压下限位开关SQ1，小车停止，卸料8s；接着向右行驶至位置A 压下限位开关SQ2，小车停止，装料10s；重复上述动作，直到按下停止按钮SB2 后，小车完成当前周期的动作，最后运行至初始位置A,压下限位开关SQ2 后，小车停止。

2.2 项目分析

根据项目的控制要求可以看出，运料小车控制一个周期分为装料、右行、卸料、左行、装料、左行、卸料、右行八步，然后重复运行，直到按下停止按钮，因此可以采用步进顺控法编程。

2.3 元件选择

根据项目的控制要求，需要左行右行控制交流接触器KM1 和左行控制交流接触器KM2、热继电器FR、电机保护的熔断器FU 等，如图8 所示，并将选用的器材列表，如表1 所示。

表1 实训器材表

此外，还需要电路安装板、小车运行轨道的支架和皮带等。

2.4 项目实施

步骤1：根据项目的控制要求画出运料小车控制流程图，如图8 所示。

图8 小车运行控制流程图

步骤2：通过分析项目的控制要求，需要两个按钮，一个用于起动，一个用于停止，还有用于位置控制的行程开关，所以输入点需要5 个。输出控制小车右行和左行，需要2 个输出点，装料和卸料电磁阀需要2 个输出点，所以，需要4 个输出点，具体的I/O 分配见表2。

表2 I/O分配表

行程开关SQ1 X001 左行接触器KM2 Y001行程开关SQ2 X002 装料电磁阀YV1 Y002行程开关SQ3 X003 卸料电磁阀YV2 Y003停止按钮SB2 X004

步骤3：画出运料小车控制电路的主电路图如图9 所示。

根据I/O 分配表，画出运料小车控制电路的外部接线图，如图10 所示。

图9 主回路电路图

图10 控制回路电路图

在运料小车自动运行演示装置的控制系统中，主要由右行交流接触器KM1、左行交流接触器KM2，起动按钮SB1，停止按钮SB2，限位开关SQ1、SQ2 等构成。

在正转交流接触器和反转交流接触器同时动作时，可能会引起电源短路、机械部件损坏，为了保证控制系统工作可靠性和安全性，在控制系统中，通过交流接触器触点进行电气“互锁”，互锁环节具有禁止功能，在线路中起安全保护作用。

实现互锁的具体做法：将右行控制接触器KM1 线圈回路串入KM2 的常闭辅助触点，将左行控制接触器KM2 线圈回路串入KM1 的常闭触点。当右行控制接触器KM1 线圈通电动作后，KM1 的辅助常闭触点会断开左行控制接触器KM2 线圈回路，若使右行控制接触器KM1 得电吸合，必须先使左行控制接触器KM2 断电释放，其辅助常闭触头复位，这就防止了右行控制接触器KM1、左行控制接触器KM2 同时吸合造成相间短路，这一线路环节称为互锁环节。

步骤4：根据外部接线图，完成电路的安装、接线。

小车运行轨道长80cm，为了把电动机的控制电路和小车运行轨道安装在一起，所以选择100cm×80cm 的木板。装好元件后发现板较重，搬运不方便，所以将整个电路分成两块，如图11、图12 所示。

图11 一个大板

图12 两个小板

步骤5：根据运料小车控制流程图画出对应的状态转移图，如图13 所示。

图13 小车运行控制流程图

步骤6：画出运料小车状态转移图对应的步进梯形图，如图14 所示。

步骤7：写出运料小车步进梯形图对应的指令表，见表3。

表3 指令表

14 OUT T0 K100 41 OUT Y002 67 OUT S0 17 LD T0 42 OUT T2 K100 69 LD X002 18 SET S21 45 LD T2 70 ANI M0 20 STL S21 46 SET S25 71 OUT S20 21 LDI Y001 48 STL S25 73 RET 22 OUT Y000 49 LDI Y000 74 END 23 LD X003 50 OUT Y001

步骤8：检查外部电路接线，确认无误后通电，启动编程软件GX Developer，进行程序调试。

图14 车运行控制梯形图

2.5 演示过程

运料小车自动往返运行演示装置的演示过程如下：

（1）当小车停在位置A（行程开关SQ2 被压合）时，按下起动按钮SB1，装料电磁阀YV1 得电，小车在位置A处装料10s。

（2）装料结束后，右行接触器KM1 线圈得电，小车向右行驶至位置B，碰到行程开关SQ3 小车停止，卸料电磁阀YV2 得电，小车在位置B 处卸料8s。

（3）卸料结束后，左行接触器KM2 线圈得电，小车向左行驶至位置A ，碰到行程开关SQ2 小车停止，装料电磁阀YV1 得电，小车在位置A 处装料10s。

（4）装料结束后，左行接触器KM2 线圈得电，小车继续左行，行驶至位置C，碰到行程开关SQ1 小车停止，卸料电磁阀YV2 得电，小车在位置C 处卸料8s。

（5）卸料结束后，右行接触器KM1 线圈得电，小车向右行驶至位置A，碰到行程开关SQ2 小车停止，装料电磁阀YV1 得电，小车在位置A 处装料，重复前面的过程。

（6）按下停止按钮SB2，小车完成当前周期的动作，运行至初始位置A 处，压下行程开关SQ2，小车停止。

该演示过程能够实现自动运料小车演示装置的控制要求。

3 创新点

（1）在《电工技能实训》教学中，用运料小车演示装置将三相异步电动机正反转控制项目的工作过程展示出来，将抽象的工作原理实物化、可视化，提高学生的学习兴趣，在一定程度上提高了实训课的教学效率。

（2）在《电工技能实训》教学中渗透《电器与PLC 控制技术》的相关知识，可以让学生提前了解PLC 的一些知识，为后续《电器与PLC 控制技术》的教学打下基础；同时基于PLC 技术进行设计，可以使电路具有控制精度高、可靠性和维护性好的优点。

4 结论与展望

在《电工技能实训》教学中借助本演示装置，能够让学生实实在在的看到到电路的运行过程，提高并加快学生对控制线路工作原理的理解；同时，学生觉得这个挺好玩，是一种可以自己动手完成的玩具，愿意主动去尝试、学习相关知识，使学生更深刻记忆并理解教学内容。

运料小车自动往返运行演示装置因其结构简单、接线方便，可以根据需要修改电路，达到不同的控制效果，对不同的控制线路工作原理进行演示。