人技“具身”型PLC 综合实训装置设计及教学应用

苗沛沛，张希

（江苏省连云港中等专业学校，江苏连云港，222000）

1 研究背景

《可编程控制器技术及应用》课程来源于工业自动化生产设备的控制、运行、技术改造、维护管理等工作任务，是中高职电子技术应用专业的一门专业实习课程。PLC 实训课程通常采用理体一体化和项目式实训教学方式，因此，PLC 综合实训装置是支持学生实训学习硬件支撑。我校原来采用三菱PLC 实验台，使用固定面板和专用实验接头，具有接线方便、安全等优点为，但不可避免地形成了功能单一、操作不便，实训项目少、不能灵活组合，与工业现场和工程项目脱节、与实际应用不同步，检修、维护不便等现实困境。一方面导致PLC 实训教学质量很难保证，另一方面，现有的基于“离身”认知的PLC 实训设备无法有效促进学生对技能的迁移应用。出现了部分学生毕业后到工业现场无从下手的现象。随着“具身认知”理论逐渐深入与扩展，为新型人技“具身”型PLC 综合实训装置的设计带来了全新的机遇。针对上述困境，基于电子技术应用专业人才培养方案、PLC 实训课程要求、学生认知规律以及技能形成规律，配套开发一款基于人技具身关系的新型PLC 综合实训装置，是中高职PLC 实训教学的重要支撑。

2 人技“具身”型PLC 综合实训装置系统设计

■2.1 设计原理

人技“具身”型PLC 综合实训装置是一种创新的实训学习环境生态，基于电子技术应用、电气控制与运行等多学科集成，更加关注职校生的身体在场、感知、参与，该实训装置的设计尽可能让职校生身临其境，“吞噬”感知体验，有效调动身心参与，是培养学生工程思维、安全意识、工匠精神等核心素养的重要场所。

人技“具身”型PLC 综合实训装置可直观地进行PLC实际应用模拟实训和实物控制实训，主要采用开放式、模块化设计结构，主要表现为两个优势：一是元件布局合理，主机、逻辑控制区、变频器控制区等相对独立，模块种类丰富，包括电源、PLC、触摸屏、电机、温控、气动、电梯、十字交通灯、运料小车等工业现场设备模拟实训对象，师生可根据课程要求独立使用某个实训项目模块进行单独实验，又可与其他设备组合起来进行联调实现综合实验，从基础到综合、从易到难，操作方便，扩展性强；二是组合灵活，每个部件都可独立拆卸，维护方便，更换便捷，根据技术发展、产业升级、实训要求等对部件进行更新换代，使实训设备不会被淘汰。

在这个装置中，职校生与PLC 综合实训装置之间的关系实际上是双向建构互利共生的：一方面，职校生在PLC综合实训装置中学习和发展；另一方面，职校生也在不断促进实训装置的重塑。从这一意义上来说，PLC 综合实训装置是突破“机械”隐喻、可更新、可拓展的“有机体”，其构建是一个自适应的生成过程。

■2.2 硬件结构设计

PLC 综合实训装置系统结构如图1 所示，由德国西门子S7-1200 系列的PLC（CPU1214C DC/DC/DC）、昆仑通态MCGS 触摸屏HMI（TPC1061Ti）、西门子V20 型变频器、模拟控制实训对象、实训仿真教学软件、工控组态软件、编程计算机等组成，主要硬件选型如表1 所示。

表1 PLC综合实训装置硬件选型

图1 PLC 综合实训装置结构图

（1）可编程控制器PLC 选型：西门子S7-1200 系列

PLC 综合实训装置中的核心部件采用了德国西门子PLC的S7-1200 系列，CPU 型号选用1214C DC/DC/DC，CPU将集成电源、微处理器、输入和输出电路组合到设计紧凑的外壳中形成了功能强大的PLC。S7-1200 提供了多种信号板和信号模块可以给CPU 增加I/O，具有4 个数字量I/O 和1路模拟量输出的SB，极大增强了CPU 的扩展能力。

西门子S7-1200 系列主要用于处理机械设备制造和工业现场的开环、闭环控制任务，适用于广泛的自动化控制，其应用多用于复杂自动化任务，如物料传送、金属加工机械、混合系统等等。

（2）人机界面：MCGS 触摸屏

实训装置采用了昆仑通态MCGS（Monitor and Control Generated System）触摸屏HMI（TPC1061Ti），工作电压24V，MCGS 工控组态软件基于 Windows 平台运行，能编辑形象直观的组态棒图，按照控制要求进行实时控制、图像监控及数据采集，实现PLC 控制过程的可视化监测，动态跟踪实训教学。同时通过对数据的采集、处理，以动画显示、流程控制、报警处理和报表输出等方式输出信息。

（3）变频器选型：西门子V20

该装置变频器选用西门子公司V20，输出功率覆盖 0.12 kW～30kW，具有 USS 和MODBUS RTU 通信端子、7.5 kW～30 kW 变频器集成制动单元，符合电磁兼容性（EMC）C1/C2 等级。V20 变频器内置应用宏与连接宏，无需连接主电源即可实现参数载入，稳定性强，易于使用。

（4）通讯模块：RS232、RS485

基于S7-1200 系列PLC 综合实训装置提供了两种通信（CM，Communication Module）模块，即RS232 和RS485，S7-1200 的CPU 最多支持3 个通信模块，各CM连接在CPU 的左侧（或连接到另一CM 的左侧）。实训学习中，将PLC 自带的网线下载口，PLC 输入端口通过DB25针接口、线路中涉及USB 口、串口都接到通信模块板上，再将通信模块安装在控制柜右侧板上，网口接网线进行程序下载、上位机与各设备之间的通信，下载选用的连接线需具备屏蔽功能。

■2.3 TIA 博途V15 编程软件

PLC 综合实训装置选用的西门子公司发布的编程软件为TIA portal 博途V15，是一款统一工程组态及软件项目环境的全集成自动化软件。作为中高职自控学生，安装、操作、下载、熟练使用博图软件是必备的基础技能之一。安装时，因为包括软件和仿真，其占用空间较为庞大（7G 左右），当系统内含其他第三方软件可能导致安装不成功，所以要尽量纯净安装，切记，不能开启任何杀毒软件；使用中，添加对应的主机型号（S7-1200_ CPU1214C DC/DC/DC_6ES7 214-1AG40-OXBO），通过软件编程，学生不仅可以直观、快速地调试自动化系统，还能够实时在线状态监控。

■2.4 技术性能参数

基于S7-1200 系列PLC 综合实训装置技术性能参数符合国家电工电子类实训基地仪器设备配备标准，如表2 所示。装置整体外形尺寸长为1000mm、宽为5000mm、高为1800mm，装置容量＜1.5kVA，重量120Kg，工作环境的温度一般在-10℃～+40℃之间，相对湿度＜85%（25℃），输入电源采用三相四线制 380V±10%，频率为50Hz，电源输出安装漏电、过载及短路保护器，并装有漏电流、漏电压保护等安全保护装置，可靠性与集约性较高，不仅能够保证设备安全运行，还能保证PLC 和触摸屏有效控制与传输信号。

表2 PLC综合实训教学装置技术参数

3 具身教学应用案例“装配流水线模拟控制”

■3.1 “装配流水线模拟控制”控制要求

具身教学应用案例选取“装配流水线模拟控制”实验模块，具体面板如图2 所示，控制要求如下：按下启动开关按钮ON，起动整个传送系统，工件开始在传送带移位。按下停止按钮OFF，装配流水线停止工作。

图2 装配流水线模拟控制实验模块

（1）实训目的

了解移位寄存器指令（包括左移位，右移位指令）在控制系统中的应用及编程方法；通过使用移位寄存器指令，简化“装配流水线模拟控制”系统程序设计。

（2）实训原理

移位寄存器指令操作过程：若在输入端输入一串脉冲信号，在移位脉冲作用下，脉冲信号依次移到移位寄存器的各个继电器中，并将这些继电器的状态输出，每个继电器可以在不同的时间内得到由输入端输入的一串脉冲信号。

（3）端口地址分配

“装配流水线模拟控制”I/O 地址分配如表3 所示。

表3 “装配流水线模拟控制”I/O地址分配表

■3.2 PLC 编程思路与HMI 组态

分析“装配流水线模拟控制”可知，传送带共有十六个工位，工件从1 号位装入，分别在A（操作1）、B（操作2）、C（操作3）三个工位完成三种装配操作，经最后一个工位后送入仓库，其它工位均用于传送工件。可见，ABC 三个灯模拟三个操作，DEFG 四组灯模拟四组传送带；工件从1号位装入，分别在A（操作1）、B（操作2）、C（操作3）三个工位完成3 种装配操作；经过最后1 个工位后送到仓库（H）。DEFG 均是3 个灯一组的模拟传送带，都用于传送工件；工件在传送带上开始传送，经过DEFG 传送后进行A 操作，再经过DEFG 传送之后进行B 操作，再经过DEFG之后进行C 操作，然后再经过DEFG 传送到仓库。DEFG 一共三组，每组进行完之后进行一个操作ABC 然后到达仓库。具体程序设计如图3 所示。

图3 “装配流水线模拟控制”程序图

在HMI 上组态模拟“装配流水线”运行过程，需要组态启动与停止按钮，启动停止选用位状态设定元件，具体的“装配流水线”组态界面如图4 所示。在HMI 人机交互过程中，设计与模拟运行过程的可视化画面有助于提高职校生的学习动机、理解演绎和学习效果。

图4 “装配流水线”监控画面组态

■3.3 接线图

图2 中上框中的A～H 用LED 发光二极管模拟动作输出，在系统接线时下框中的A、B、C、D、E、F、G、H 插孔分别接主机的输出点Q0.0、Q0.01、Q0.02、Q0.03、Q0.04、Q0.05、Q0.06、Q0.07，启动、移位及复位插孔分别接主机的输入点X0、X1、X2，24V 接24V，COM 接GND。具体接线如图5 所示。

图5 “装配流水线模拟控制”接线图

4 小结

人技“具身”型PLC 综合实训装置的设计贴近工业现场，满足职校生体验生产一线岗位的现实需求，赋予了职校生身临其境的体验。一方面提供了丰富的模块化感知觉形态，如多种综合实验模块，拓展职校生多重、深度感知工业现场信息的能力。另一方面，使用MCGS 触摸屏的人机界面，直观、生动、形象的画面增强了知觉体验，使职校生全身心沉浸在人技“具身”型PLC 综合实训装置中，进而促进职校生对技能的探究，促进其学习动机越来越强烈，对实训学习内容的理解越来越深刻，实训学习效果越来越显著。该装置目前已投入使用一年，安全性、实用性以及可靠性均获得认可，具有一定应用、推广价值。