基于PLC的电气自动化综合实训装置开发与实践

摘  要：文章对当前自动化综合实训装置开发情况进行了研究，报告了开发和实践的现状和技术背景。开发以学生职业核心能力培养为导向，设计了采用分离开放模式，满足控制电机应用技术、PLC应用技术、变频器应用技术、伺服驱动应用技术、人机界面与网络控制技术、电气自动化系统集成等课程的实训装置很有必要。装置接近工业现场，有利于学生的动手能力和操作技能培养，同时由于不需要对控制机构端子进行频繁拆装，减少了控制机构的故障率，降低了实训装置的维护成本。

关键词：实训装置;电气自动化技术;综合实训

中图分类号：TP311                      文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）14-0057-06

Abstract： The paper studies the current development of automation comprehensive training device， and reports the current situation and technical background of development and practice. It is necessary to develop a training device guided by the cultivation of students，  professional core competence and designed with a separate and open mode to meet the courses of control motor application technology， PLC application technology， frequency converter application technology， servo drive application technology， man-machine interface and network control technology， electrical automation system integration and so on. The device is close to the industrial site， which is conducive to the cultivation of students，  practical ability and operation skills. At the same time， for there is no need to disassemble and assemble the terminals of the control mechanism frequently， the failure rate of the control mechanism is reduced and the maintenance cost of the training device is reduced.

Keywords： training device; electrical automation technology; comprehensive training

0  引  言

實践教学是培养满足高素质技术技能人才的主要环节，是学生培养学生动手能力、实践能力的主要途径[1，2]。

目前，高职院校现有实训装置来源主要有两种。第一种是从教仪企业直接购买。教仪企业自身对满足实训需要的片面理解和标准化生产，很多单功能实训设备中，大部分传感器输入信号都用按钮代替，大部分输出给执行器件的信号都用指示灯代替，不能进行复杂的自动化动作，而且一般结构固定，选用的电器类型固定、接线固定，不允许学生随意拆卸或组合，学生在实训时不能真正动手操作，影响学生实际动手能力的提高。综合实训装置，通常是根据某一自动控制系统，在满足基本教学要求下进行了简化、替代。由于设备的针对性强，所用电器类型有限，执行机构单一，控制方式固定，没有涉及更宽泛的技术如触摸屏技术、变频调速技术、运动控制，气动控制技术以及联网组态监控技术等.不能帮助学生全面了解当前市场的主流技术的综合应用。第二种是专员根据实训内容对实训装置技术、性能要求，校企共同研发。伍波、马忠丽等探讨了实训装置、实验箱的研制与开发，提出了结合专业自身特点，联合企业共同设计，满足职业岗位能力需求的知识点、技能点和能力点的实训装置[3，4]，为我们实训装置研制提供了思路。

经反复调研，我们选取一个典型的、综合专业核心能力的智能洗车机系统作为自动化综合实训装置，改实训装置采用分离式设计，电气安装板与控制机构通过端子连接，学生在进行电气安装时不需要频繁拆装控制机构端子，提高了控制机构的使用寿命，降低了实训装置的维护成本。围绕此系统，构建以职业核心能力培养为主线，按职业活动从方案选择、电气系统设计、电气图纸绘制、器件的选型和参数计算、电气系统安装、控制程序设计、系统调试步，编写设备调试指导书，操作手册、维护说明书全过程。设计从易到难，前后贯通原则，融入贯穿式实训项目，每次实训的成果都是下次实训的基础和知识准备，所有实训课程的结束，此系统中的所有问题都得以解决。从实训课程开始到实训课程结束，学生自始至终都明白学习的目的，知识、技能前后之间的关系和逻辑，学生做完所有实训就完成了一个完整的系统。贯穿式实训完全以学生为主体，注重学生实践内容连贯统一，较好地解决了实训内容欠缺关联，实训体系缺乏系统化、层次化、递进式的培养体系的问题 ，极大地增强了学生的实践能力、系统集成能力，激发了学生主动学习的热情，对培养学生的创新意识、团队协作精神和解决实际问题的能力起到了良好的作用，体现了“学以致用”的教育精髓[5，6]。

1  实训装置设计

本校电气自动化技术专业中开设了控制电机应用技术、PLC应用技术、变频器应用技术、伺服驱动应用技术、人机界面与网络控制技术、自动化系统集成等课程。这些课程都需要实训操作，才能使学生获取工程经验，取得良好的教学效果。实训平台要能满足这些自动化专业核心课程实训要求，电气设计、方案配置、系统安装调试、运行维护、技术创新到工程管理能力贯穿培养全过程，从而实现职业能力的渗透式培养。实训装置要满足学生从简单到复杂，从单一功能到综合功能实训项目设计[7]。实训装置注重学生实践项目连贯统一，解决课程间实训内容欠缺关联，实训项目缺乏系统化、层次化、递进式的问题，增强了学生的实践能力、工程能力，激发了学生主动学习的热情，对培养学生的创新意识、团队协作精神和解决实际问题的能力起到了良好的作用，体现了“学以致用”的教育精髓。实训装置要涉及自动化控制系统中常用的伺服电机、步进电机、变频电机、三相异步电机、单相电机、传感器等专业知识，本文结合专业实际设计了一套洗车机实训装置作为自动化综合实训装置。

实训装置由底座、上端的支架构成。底座部分安装有电气控制模块，如断路器、直流继电器、交流接触器，中间继电器、开关电源、PLC、变频器、伺服驱动器、步进驱动器、端子排等。电气控制模块采用分离开放模式，方便学生进行安装调试。上端的支架安装有控制电机、同步轮等机械结构，机械结构如图1所示。

2  实训装置电气设计

2.1  系统电气图

根据控制电机应用技术、PLC应用技术、变频器应用技术、伺服驱动应用技术、人机界面与网络控制技术等课程的要求，搭建了实训装置的电气控制系统，以三菱FX5U-80MT为主模块搭载2块扩展模块构成控制器，控制6台电机，触摸屏作为PLC上位机。其中，洗车机喷淋机构是一个三轴运动控制机构，Y轴由伺服电机控制、X轴由步进电机控制、R轴由步进电机控制。风干系统通过变频器控制三相异步电机，小车输送系统由三相异步电机控制，喷淋系统由三相异步电机控制，每个控制对象可以独立工作，通过端子排连接到控制器。多台实训装置通过以太网连接并设置一个主控PLC，可以进行CC-LINK网络控制各台实训装置，并监控各设备的运行状态。圖2、图3为实训装置的电气系统图。

2.2  I/O分配

分析控制要求，系统需要24个输入点，25个输出点，具体分配如表1所示。其中主PLC模块控制3个三相异步电机，扩展输出模块控制2个步进电机和伺服电机。小车位置由3个激光测距传感器进行测算，以便洗车机运行时调整Y/X/R轴的位置。

3  PLC 程序设计

3.1  洗车机动作工作流程

智能洗车机上电，检查传感器状态，输送托盘检测是否有小车，如有输送托盘运送小车到达洗车工作点，开始洗车，首先X轴步进电机运行计算距离（此距离由超声波测算得出）后停止，Y轴伺服电机带动R轴喷淋系统清洗车身左侧运行至车尾（车尾位置由顶部传感器进行检测），R轴旋转90°，X轴步进电机带动喷淋系统清洗车尾（汽车宽度由超声波测算出），清洗完车尾，R轴旋转90°，由Y轴伺服电机带动R轴喷淋系统清洗车身右侧运行至车前，R轴旋转90°，X轴步进电机带动喷淋系统清洗车前，至此第一次清洗完成。而后可以根据需要进行清水清洗和泡沫清洗选择多种方式重复此前操作。动作流程如图4所示。

3.2  PLC 程序设计

分析洗车机控制的要求，洗车机的运行适合采用了顺序控制程序设计法编程洗车机的部分程序如图5、图6所示。但是在程序编写的过程，还要考虑的问题有以下几点：

（1）如何通过3个测距传感器测算出小车状态。

（2）Y/X/R轴的运动控制。

4  触摸屏监控系统设计

触摸屏监控监控系统采用三菱的GS系列触摸屏，如图7所示。设计有自动画面、手动画面、参数设计画面，通讯监控画面、报警画面。整个监控画面能实时显示洗车机设备现场工作状态、电机状态、传感器状态，能方便地进行个电机的监控画面的切换。可以通过界面进行洗车机设备进行控制和参数设置。

5  结  论

该装置是一套模拟洗车系统的实践教学设备，采用了市场上主流触摸屏和PLC控制，便于学生与企业应用对接，提高学生的适应能力。它涵盖了电气自动化技术专业学习所涉及的核心课程的知识及技能。自动化类专业学生可以利用该装置进行课程设计、毕业设计。采用“典型性、可操作性”能力渐进式架构。子系统包含的知识、技能与专业核心技能有清晰的对应关系，通过装置中技术难点的不断解决实现个人技能的不断提升。

实践证明，本综合实训装置功能完备，使用灵活方便、针对性强，立足专业特点、面向工程实际，具有很高的创新性和实用性，为专业综合实践提供了有力支撑，而且改实训装置有效融入了高职现代电气控制系统安装与调试技能竞赛的全部功能，为学生科技创新、技能竞赛提供了实训场地，而且多套实训装置通过CC-LINK进行联网，可以进行网络通信方面实训。

通过与企业合作开发的此实训装置，不但把市场上主流技术引入课堂，在对学生进行全面、系统工程实践训练，培养学生解决复杂工程问题能力的同时，还锻炼了教师的科研能力。通过解决教学与工程中的一些实际问题，让教师能够理论联系实际，提高专业水平的机会，提升产教科融合水平，为培养具有创新能力的应用型人才奠定基础。

参考文献：

[1] 雷翔霄，唐春霞，徐立娟.项目贯穿式实践教学体系改革与实践——以高职电气自动化技术专业为例 [J].实验技术与管理，2021，38（2）：228-232.

[2] 曹锦江，陈桂，黄家才.智能制造背景下自动化类专业综合实践平台的设计与实践[J].实验技术与管理，2021，38（3）：278-282.

[3] 毛佑南，吴萍.自动控制模块化实训装置的研制与应用 [J].硅谷，2010（24）：110+115.

[4] 李树雄，吕玉明.自动控制模块化实训装置的研制与应用 [J].中国职业技术教育，2008（15）：57-59.

[5] 程丽平，李保银.以培养技能型自动化人才为导向的实训室建设与实践 [J].中国电力教育，2011（26）：139-140.

[6] 邹心遥.创新能力导向的高职理实一体化实训室建设 [J].实验室研究与探索，2017，36（4）：225-228.

[7] 王宏彦.高职电气自动化专业综合实训课程建设探索 [J].现代信息科技，2019，3（24）：171-172.

作者简介：王宏彦（1978—），男，汉族，湖北潜江人，硕士研究生，副教授，研究方向：计算机控制技术，工业系统控制等。