基于PLC的“可视化技能训练支援系统”的设计

文/曹拓

1 引言

“职业院校学生技能的有效训练”一直是困扰一线教师的一个难题。以“机电设备组装的技能训练”为例，在训练过程中的问题主要体现在机电设备品种众多，各个设备的安装步骤和使用的零部件也各不相同；组装操作过程繁琐、难度大，学生无法100%防止失误，而这些失误仅靠教师一个人又无法全面、有效的把控。为此，本文提出了基于PLC的“可视化技能训练支援系统”，下面将从系统组成及工作原理、硬件选型、软件设计对其进行说明。

2 系统组成及工作原理

文中介绍的“可视化技能训练支援系统”目前适用于YL-235A光机电一体化设备物料盘、机械手、皮带输送机的组装技能训练。该系统由组装操作指示书、触摸屏和配有指示灯、光电传感器的零部件货架构成，从以下两个方面辅助学生完成组装技能训练。

2.1 取出正确的零部件

使用时，学生只需在触摸屏上选择要组装的设备，触摸屏上就会显示出该设备当前工序要准备的零部件及数量等图文信息；同时货架上存储该零部件对应位置的指示灯点亮，指示学生从该位置取出；在取出零部件时（通过光电传感器检测），该位置的指示灯熄灭，触摸屏上更新显示下一所需零部件的图文信息，同时货架上存储下一零部件对应位置的指示灯点亮。

2.2 使用正确的方法组装设备

当学生取出当前组装工序所需的所有零部件后，在其前方的触摸屏上将显示组装固定部位、顺序等详细的指示，同时点亮需要使用的工具所在位置的指示灯，学生使用该工具完成安装放回该位置后（通过光电传感器检测），下一个要使用的工具所在位置的指示灯点亮，从而确保学生能够正确掌握每个零部件的安装顺序并正确区分使用工具。

3 系统硬件选型

3.1 输入/输出设备

输入设备选择欧姆龙E3Z-R61回归反射型光电传感器，输出设备选择DC24V的LED信号灯。

3.2 触摸屏

触摸屏是“可视化技能训练支援系统”的重要组成部件，根据支援系统的控制要求在选择触摸屏时，主要从能否提供“简单灵活的可视化操作界面设计”及“丰富、生动的多媒体画面”这两个方面来考虑。据此，本系统选用昆仑通态mcgsTpc嵌入式一体化触摸屏TPC7062K。

3.3 PLC选型及接线

PLC是整个“可视化技能训练支援系统”的核心，根据支援系统的实际控制要求，可知本系统中组装物料盘需要2种部件、机械手需要9种部件、皮带输送机需要14种部件。同时这三种设备的组装需要使用4种螺钉，而这些螺钉及部件需要使用3种不同的内六角扳手及1把尖嘴钳进行紧固。

为此，可确定所有部件及工具在货架上的位置指示需要33个指示灯；而三种设备零部件取出的确认可采用共用光电传感器的方式进行检测，共需要20个光电传感器。固本系统选用FX3U-48MR/ES-A型PLC作为控制单元，同时选用FX2N-16EYR扩展PLC的输出端子。最终进行I/O地址分配和PLC内部软元件分配，具体的输入、输出接线不再赘述。

关于触摸屏与PLC之间的通讯方式，本系统通过FX3U-485-BD功能扩展板实现触摸屏与PLC的通讯。

4 控制程序设计

本支援系统软件由PLC控制软件和MCGS组态软件两个部分组成。PLC控制软件采用三菱GX Developer编程软件完成各控制程序的编写和调试，触摸屏监控程序采用MCGS组态软件设计。

4.1 PLC控制软件设计

PLC控制软件设计可采用经验设计法、顺序功能图设计法等，由于顺序功能图设计法是按照工艺预先规定的顺序，以步为核心，以各步之间的转换条件为触发信号，以各步对应的动作功能为驱动输出，从首步开始一步一步设计程序的方法，适用于带有跳转和循环的自动控制程序的设计，所以本系统采用顺序功能图设计法。

本支援系统PLC控制软件由1个梯形图块和2个SFC块程序组成。其中1个SFC块程序用于实现物料盘、机械手、皮带输送机各设备组装的具体操作指示，另1个SFC块程序则用于实现各设备零部件回收的指示。最终，在SFC块中采用选择序列、跳转及循环结构完成本系统控制程序的设计。

4.2 MCGS监控软件设计

本支援系统触摸屏监控软件的设计，通过MCGS组态软件按照如下流程完成：

（1）建立工程项目；

（2）通过用户窗口设置人机交互界面；

（3）定义数据对象，建立实时数据库；

（4）动画连接；

（5）设备连接，选定与设备匹配的设备构件。

具体设计时，结合系统控制要求分析，确定触摸屏监控画面有6个，包括：登录、选择组装设备、设备组装操作指示、选择回收设备、零部件回收操作指示、操作信息统计界面。在界面中，主要采用的构件有标签、标准按钮、位图、动画显示、历史表格。其中，在设备组装操作指示界面中零部件安装位置及方向的指示，分别通过MCGS软件中“标签”构件的闪烁及移动效果属性实现。在操作信息统计界面中关于学生训练过程中操作时间的统计，通过历史表格并采用连接MCGS历史数据库变量实现对指定历史记录的显示和统计。

5 结语

本文介绍了基于MCGS和PLC的“可视化技能训练支援系统”，该系统可以让学生正确的选择和使用零部件，在学生技能训练初期，有效地减轻教师的负担。同时，通过统一组装操作方式及流程，也为进一步的改善提供了契机。例如，当所组装完成的设备不良集中在特定部位时，而这一问题又与学生的经验成正比，就可以进一步分析熟练学生与新手学生的技能差异，进而有针对性的向新手学生传授不足的技能。