便攜式PLC學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)分析
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了便攜式PLC學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)分析范文，希望能給你帶來(lái)靈感和參考，敬請(qǐng)閱讀。
摘要：基于教學(xué)需要，設(shè)計(jì)了一種便攜式的plc學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)裝置。裝置包括箱體，PLC控制器，輸入輸出模塊，步進(jìn)絲桿滑臺(tái)等。設(shè)計(jì)提供了一種基于以太網(wǎng)通信，工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)界面，以步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)作為被控對(duì)象能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的便攜式PLC實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)箱不僅能夠完成PLC教學(xué)中的各種經(jīng)典控制實(shí)驗(yàn)，而且能夠完成運(yùn)動(dòng)控制、位置控制等智能控制實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置有利于提高學(xué)生熟練掌握PLC技術(shù)的運(yùn)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，符合國(guó)家培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才的需要。
關(guān)鍵詞：便攜式；PLC；學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)箱
PLC課程是高職高專院校機(jī)電一體化類和自動(dòng)化類專業(yè)的一門主干核心課程。目前，不論是國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)還是從國(guó)外引進(jìn)的自動(dòng)生產(chǎn)線，普遍將PLC作為控制系統(tǒng)的核心部件。因此為了滿足企業(yè)對(duì)高技能人才的需求，學(xué)校就必須提高PLC課程教學(xué)質(zhì)量，以“培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為導(dǎo)向”，組織更高水平的PLC綜合實(shí)訓(xùn)，為企業(yè)培養(yǎng)實(shí)踐能力達(dá)標(biāo)的機(jī)電一體化技術(shù)人才。PLC課程作為一門實(shí)踐性、綜合性很強(qiáng)的專業(yè)課程，目前的教學(xué)出現(xiàn)了一些的問(wèn)題：①學(xué)校的PLC綜合實(shí)訓(xùn)臺(tái)雖然功能比較強(qiáng)大，但是體積龐大、價(jià)格昂貴、數(shù)量有限。這就導(dǎo)致學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作時(shí)間嚴(yán)重不足，距離企業(yè)崗位技能要求有較大差距；②由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制導(dǎo)致PLC課程的學(xué)習(xí)只能在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。近年來(lái)，隨著各種技能大賽，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽的開(kāi)展，越來(lái)越多的學(xué)生不再滿足于課堂內(nèi)的實(shí)踐，他們希望能在家里、圖書館等場(chǎng)所進(jìn)行學(xué)習(xí)；③現(xiàn)在學(xué)校使用的PLC教學(xué)設(shè)備存在一定局限性，例如：可變性不強(qiáng)、模式比較固定、不適合實(shí)施以學(xué)生為主導(dǎo)的探索式學(xué)習(xí)。鑒于對(duì)以上問(wèn)題的思考，便于更好地開(kāi)展PLC課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一臺(tái)便攜式PLC學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)箱。
1系統(tǒng)構(gòu)成
便攜式PLC實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)裝置以PLC為控制器，觸摸屏作為人機(jī)界面?？刂破骱陀|摸屏之間采用EtherNet／IP協(xié)議通信。實(shí)驗(yàn)箱采用鋁合金手提箱形式，上下合蓋安裝有角度限位撐桿，結(jié)構(gòu)緊湊美觀，易便攜。實(shí)驗(yàn)箱包括：PLC單元及PLC電源模塊、觸摸屏、路由器、步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、位置傳感器、輸入單元、輸出單元及若干組接線端子排。輸入單元包括按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、光電傳感器，輸出單元包括指示燈和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)。圖2為便攜式PLC學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)物圖。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1控制器
控制器選擇了羅克韋爾自動(dòng)化Micro800系列的Mi-cro850，型號(hào)為2080－LC50－48QBB的可編程控制器。該控制器有48個(gè)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)，可容納2－5個(gè)功能性插件模塊，額外支持4個(gè)擴(kuò)展I／O模塊。通信接口除了USB和串口外，還有嵌入式以太網(wǎng)接口，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RJ－45以太網(wǎng)電纜實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程和通信。具有3個(gè)100KHz脈沖序列輸出（PTO），6個(gè)100kHz高速計(jì)數(shù)器輸入（HSC），可實(shí)現(xiàn)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，伺服控制器的低成本接線。本實(shí)驗(yàn)箱的PLC控制器可根據(jù)實(shí)際需要更換為其他品牌的PLC控制器。
2．2人機(jī)界面
觸摸屏作為主要的人機(jī)界面，它可以用來(lái)設(shè)置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)以及曲線或動(dòng)畫等形式描繪被控對(duì)象的控制過(guò)程。觸摸屏選用了AB公司生產(chǎn)PanelView800系列的型號(hào)為2711R－T7T的圖形終端設(shè)備。觸摸屏通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)Ether-Net／IP協(xié)議與控制器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
2．3輸入輸出設(shè)備
輸入設(shè)備為多個(gè)常開(kāi)自復(fù)位按鈕、自鎖按鈕及2個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，多種按鈕組合能夠滿足不同的控制要求。輸入設(shè)備還包括了絲桿滑臺(tái)上的3個(gè)光電傳感器及1個(gè)光電增量式的編碼器。學(xué)生們可以借助實(shí)驗(yàn)箱學(xué)習(xí)這些生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用的開(kāi)關(guān)量輸入設(shè)備的工作原理和接線方法。輸出設(shè)備除了常用的指示燈，還有體積較小、有典型功能的步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。選用步進(jìn)電機(jī)作為被控對(duì)象是因?yàn)楫?dāng)前工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。步進(jìn)電機(jī)具有極強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性、系統(tǒng)成本也較低，因此在工業(yè)生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。
2．4被控對(duì)象
被控對(duì)象選用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，配合編碼器、光電傳感器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制。學(xué)生可以通過(guò)該被控對(duì)象學(xué)習(xí)PLC運(yùn)動(dòng)控制指令及編程方法。隨著工業(yè)4．0和智能制造的推進(jìn)，滿足各行業(yè)需求的集成運(yùn)動(dòng)控制的PLC的應(yīng)用才是學(xué)生需要重點(diǎn)掌握和學(xué)習(xí)的內(nèi)容。
2．5網(wǎng)絡(luò)設(shè)置
智能制造的網(wǎng)絡(luò)化要求PLC具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力，未來(lái)PLC將采用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信。本實(shí)驗(yàn)箱是基于EtherNet／IP以太網(wǎng)通信協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)路由器和網(wǎng)線連接PLC控制器、觸摸屏、PC機(jī)及被控對(duì)象驅(qū)動(dòng)器，依靠PC機(jī)上的軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備組態(tài)并完成通訊。
2．6裝置軟件
上位PC機(jī)中設(shè)置了羅克韋爾Micro800系列控制器的設(shè)計(jì)、編程和組態(tài)軟件CCW10．0。CCW軟件的使用還依賴于RSLinx軟件，其作用是提供CCW編程軟件和各個(gè)設(shè)備之間的通信驅(qū)動(dòng)。羅克韋爾人機(jī)界面終端PanelViewComponent的組態(tài)和編程也是在CCW軟件中完成的。上位機(jī)中還可安裝工控組態(tài)軟件FactoryTalkViewStudio，從而構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一監(jiān)控和管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控系統(tǒng)。
3實(shí)驗(yàn)箱在教學(xué)中的應(yīng)用
在PLC課程的教學(xué)工作中，實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容是非常重要的。本實(shí)驗(yàn)箱是為了提升學(xué)生的PLC實(shí)踐操作能力而開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置，制定教學(xué)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)以實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程為導(dǎo)向，從簡(jiǎn)單到困難，從基礎(chǔ)到綜合，制定多層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以分為三個(gè)層次。
3．1基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)
這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以按鈕和光電傳感器為輸入設(shè)備，以指示燈為控制對(duì)象，完成經(jīng)典的PLC控制項(xiàng)目，例如流水燈、交通燈、搶答器等。通過(guò)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)掌握編程軟件基本指令的使用方法，熟悉PLC編程思路和方法，同時(shí)掌握PLC與觸摸屏的通信及簡(jiǎn)單人機(jī)界面設(shè)計(jì)。
3．2應(yīng)用設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)
這類實(shí)驗(yàn)將控制對(duì)象設(shè)定為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿滑臺(tái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的接線方法、PLC運(yùn)動(dòng)指令、滑臺(tái)位置控制的方法及程序調(diào)試方法。讓學(xué)生完成基于觸摸屏的絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和基于組態(tài)軟件的絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目。這些綜合類的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從基礎(chǔ)到綜合，有利于引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)的接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的探索。
3．3拓展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)
拓展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的被控對(duì)象可以選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的碼垛機(jī)機(jī)械手（如圖3），也可以與帶有模擬量輸入的Micro820控制器（如圖4）組成分布式控制系統(tǒng)。學(xué)生可以借助這些外加的控制對(duì)象學(xué)習(xí)分布式控制系統(tǒng)的組態(tài)、主從控制器之間的數(shù)據(jù)交換、碼垛機(jī)機(jī)械手設(shè)計(jì)等綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本實(shí)驗(yàn)裝置可以提供給學(xué)生自行設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，完整地學(xué)習(xí)工控項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程，用于完成畢業(yè)設(shè)計(jì)或者進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。這類拓展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力，充分激發(fā)學(xué)生潛能。
4結(jié)束語(yǔ)
該實(shí)驗(yàn)箱不僅能夠完成PLC教學(xué)中的各種經(jīng)典控制實(shí)驗(yàn)，而且能夠完成運(yùn)動(dòng)控制、位置控制等智能控制實(shí)驗(yàn)。該裝置有利于提高學(xué)生熟練掌握PLC技術(shù)的運(yùn)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，符合國(guó)家培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才的需要。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)裝置考慮了本校實(shí)際情況，在使用過(guò)程中能規(guī)避傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的不足，是“新工科”背景下學(xué)校建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備的一次嘗試和積極探索。
參考文獻(xiàn)
［1］石昊，李慶章．自動(dòng)打磨機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020，39（1）：83－86
［2］韓慶敏，林浩，姜洪朝，等．PLC控制系統(tǒng)在智能制造時(shí)代的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)［J］．信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2018，37（5）：18－21
［3］鄧?yán)冢甈LC綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究［J］．計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2020（5）：167
作者：吳茹石 單位：無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校