浅谈工业自动化培训装置的研制

陈菡菡，许志敏

（湄洲湾职业技术学院机械工程系，福建 莆田 351119）

2019年1 月，国务院印发《国家职业教育改革实施方案》探索实施1+X证书制度。“1+X”证书，即“1”为学历证书，“X”为若干职业技能等级证书，鼓励学生在获得学历证书的同时，积极取得多种职业技能等级证书。2020年年初，新冠疫情对我国传统的制造业带来巨大冲击，这促使大量的传统制造企业加快产业智能化、工业自动化转型，推进少人化和柔性生产，聘用更多高技能和多技能的工人。而在整个工业生产中以各种参数为控制目的，实现各种过程控制，尽量减少人力的操作，而充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作的过程称为工业自动化，因此，培养工业自动化复合型技术人才已成为职业院校培养的重点发展方向。

针对以上情况，非常有必要研制一台工业自动化培训装置，使学生在校期间就能够接触到工业自动化系统，学习和掌握工业现场常用的技术环节，掌握常见工业自动化系统的开发要点、使用要点，从而快速提高受训人员的职业技能。研制该装置采用模块化结构，可以自由搭配和扩展，可以满足多职业多工种人才培养的需求。

1 总体设计

工业自动化培训装置采用新型双面斜对称、开式面包板设计，如图1所示。斜立式面包底板上面分别有一个公共模块功能区，位于面板下方，所有电气元件固定安装；面板上方平行排列3个功能模块区域，采用挂件式设计，用于悬挂功能挂板；工作台桌面上有2个负载模块安装区域，用于放置电机、十字滑台等较重，需要稳定性较好的功能模块。实训台下方的抽屉可以放置其他备用的功能模块及工具材料等，便于使用者能够灵活地根据实训任务进行配套安装连线。本装置输入、输出连线采用端子排设计，所有接线、走线均接近工业现场。

图1 工业自动化装置整体设计图

2 功能实现设计

工业自动化培训装置主要由公共模块区域和功能模块区域两个部分组成。

2.1 公共模块区域

用于大部分实训项目都要用到的功能，包含电源模块、PLC模块、主令按钮模块和指示灯模块。

电源模块由塑壳漏电断路器、熔断器、开关电源组成。三相220V电源输入通过漏电断路器输出R、S、T外接至端子台上，断路器输出R、T两相经过两个10A熔断器给开关电源供电，开关电源输出24V经1个2A熔断器外接到端子台上。电源模块上加装有透明亚克力开关门式防护板，进出线缆位置有半封闭式的钣金罩，有效地排除了电路安全隐患、不良环境的影响，防止人为对强电部分的接触可能，极大地提高了设备的安全系数。

PLC模块。选用日本三菱PLC FX3U-32MR主机，集成数字量I/O（16路数字输入，16路数字量输出），扩展模块为FX2N-16EX，配有FX1N-485BD通讯模块，FX0N-3A模拟量模块（2路输入，1路输出），SC-09通讯编程电缆。为了避免实训过程反复接线而造成的接线端子的损坏，PLC的I/O接口引入导轨式接线端子上，学生实训时，接线只需在接线端子上完成即可。

主令按钮模块和指示灯模块。含有启动、停止、急停、组合按钮、2个2段选择旋钮、1个3段选择旋钮、3个状态指示灯和1个蜂鸣器。在设计中采用开关盒形式固定安装在面板下方，开关及状态灯所有输入、输出均外接至端子排上。

2.2 功能模块区域

根据工业自动化产线的特点，设计了7个功能模块，每个模块设计如下：

（1）基础电工模块。该模块设计成网孔板挂件式，在网孔板上可学会电气控制系统中各元器件的布局规划、安装、调试技能，接近工业现场。电气器元件配有4个交流接触器、2个热继电器、3个220V中间继电器、3个220V通电延时时间继电器、2个24V计数器及2个2A熔断器、接线端子排、卡铝轨及走线槽，课任老师可根据课程的需要自由增减低压元器件来完成相应的实习项目。

（2）电机模块。含1台三相异步电机、1台直流电机、接线端子排及走线槽等，电机轴上罩着透明的压克力安全防护罩。安装位置在实训台的台面上面水平放置。

（3）往返运动滑台模块。含1台单相220V齿轮减速电机附刹车制动、1套单轴滑台（链条式），行程260mm、2个正负限位感应开关、2个接近开关、4个220V中间继电器模块、2个2A熔断器、接线端子排及走线槽。

（4）气动模块。由2个直线气缸（内径16mm×行程75mm）附磁簧开关及节流阀、2个24V极限开关、2个24V接近开关、2个24V电磁阀及汇流排、接线端子排及走线槽。

（5）触摸屏模块。触摸屏作为人机对话界面，即可对使用设备进行监测，还可以对设备进行简单控制，故在工业现场广泛使用，本装置选用工业现场的产品人机界面，采用7英寸MCGS，直流24V的彩色触摸屏，触摸屏带有两种通讯口，第一个为RS232通讯口，第二个为RS485通讯口，配有通信下载编程电缆，还配置了触摸组态软件。

（6）驱动系统功能模块。配有1台变频器、1台伺服驱动器、1台步进驱动器、信号线端子台、接线端子及走线槽。

（7）十字滑台运动模块：含1台伺服电机、1台步进电机、2个接近开关、1套十字滑台，电机电源及传感信号全部外接至接线端子上。安装位置在实训台的台面上面平行放置。

3 项目设计与设置

上述7个功能模块可以自由地组合，根据不同的组合设计与设置工业自动化培训与考核项目，具体如下：

功能模块1+2+3的组合，能够完成基本电工控制电路实训。既有常见三相异步电机启动停止、正反转控制、三相异步电机启动停止加灯号、蜂鸣器控制机及三相电动机Y-△降压启动、正反转控制等；又有实用自动门、卷帘门电路控制、自动抽水电路控制等。

功能模块2+3+4+5的组合，能够完成常见工业自动控制电路实训。如PLC控制三相异步电机启停、PLC控制三相异步电机Y-△降压启动、正反装控制及PLC控制直流电动机启动停止直流电动机、带煞车正反转；二缸+极限开关+磁簧开关顺序控制；二缸+磁簧开关+直流电动机控制；二缸+直流+单向交流+三相交流电动机控制；液位模拟+单相+三相交替控制；自动门控制等。

功能模块2+3+4+5+6+7+8的组合，能够完成常见工业自动化生产控制任务。现代工业中越来越多应用自动化生产设计，其中步进电机控制、伺服电机控制、变频器控制占据最大的应用比重，其中包含的实训项目任务如PLC控制步进电机/伺服电机启停、正反转控制；十字滑台定位、回零、调速控制；变频器+三相异步电机+PLC自动调频电路控制；PLC+人机界面（HMI）控制系统电气控制等。

4 结语

本文介绍了工业自动化培训装置采用面包板式样的底板和功能挂箱结构，搭配灵活，便于教师组织各种实训项目及扩展新的实训功能，同时，双面双工位设计最大限度的提高实训台设备的利用率和减少占地面积。从使用效能分析，一套培训设备能够满足两组学生同时进行实训项目，一个标准100m2实验室能够放置20～25台培训台，能够同时满足40～50组学生进行动手操作任务，充分满足培训学生的使用需求，同时配套其他的软硬件资料能够满足维修电工、电机拖动、PLC技术及变频器技术等多门工业自动化相关课程的教学工作，大大提高了设备的使用效率。同时一机多用也可以满足职业院校“1+X”证书多工种多技能人才培养要求，实现人才培养与企业需求“零距离”接轨。