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基于PLC的综合实训教学装置的研制
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16871/j.cnki.kjwhb.2018.12.032
摘 要论文以我校自动化实训中心建设项目为依托,设计并实现了基于西门子S7-200 PLC 的综合实训教学装置,该装置具有技术覆盖广、实用性好、可扩展性高的特点,覆盖了传感技术、伺服技术、组态技术、网络通讯技术等,并以此装置为实训教学对象,设计了三大类实训教学项目,以满足自动化应用技术课程的课内实验、PLC 技术综合实训、毕业综合设计等实训教学任务的需求,为学生掌握自动化应用技术、提升实践能力和创新能力提供良好的平台.
关键词西门子PLC 实训教学装置PPI 网络
可编程控制器（PLC）是工业控制领域中常用的控制设备,具有良好的可靠性及强大的抗干扰能力,在自动化应用中,配合传感技术、变频技术、组态技术、伺服驱动技术及现场总线技术,构建起自动控制系统以满足工业控制要求[1-3].实训教学是高职高专院校实践教学体系的重要组成部分,是培养学生应用实践能力的重要环节[4].PLC 技术作为机电一体化技术专业的核心专业课程,且后续的自动化应用技术、组态技术及应用等课程都将以该课程为依托展开教学,其课内实训在课程教学上具有关键性的作用[5].为适应高职高专教学要求和学生特点,配合课程的实践教学内容,实行理实一体化教学模式,培养适应当今工业控制领域的相关人才,我校实训中心针对当前工业自动化发展方向,设计并制作了基于PLC 的综合实训装置,并针对实训装置开发了实训教学项目.该装置具有良好的可扩展性,可根据不同的课程内容进行灵活的选择被控对象,为学生的课程设计、毕业综合设计等提供了实训平台.
1 装置研制的基本思路与技术路线
根据现代电气控制与PLC 技术、自动化应用技术的基本原理与课程特点,结合本校机电一体化技术专业实际情况及专业设置情况,基于PLC 的综合实训装置系统具有如下基本特点与基本原则.
（1）实训室及实训装置的总体构想：综合实训装置要求适用面广、通用性强,实训内容设置灵活、系统扩展性好,装置完全开放、安全性高等特点.
（2）硬件平台的构建：包括输入设备、逻辑控制、执行机构、网络通讯模块的选择和连接.
（3）实训教学内容的开发设计：要求具有实践性强、开放性好、创新性强等特点.
在实训室建设过程中,由专业协会学生全程参与综合实训装置的研制.通过学生参与实训教学设备的开发,能够保证实训教学设备有序高效研制,既节约了装置的开发成本,又能提升学生的实践技术水平,培养了学生的创新意识和严谨的科研态度[6].
根据装置研制的基本思路,制定了如图1 所示的技术开发路线[7].
2 教学装置的设计与实施
2.1 装置的系统构架
实训教学装置的设计与开发依托于我校机电一体化技术专业课程设置的实际情况,基于PLC 的综合实训教学装置由电源系统、可编程控制器PLC、人机界面（HMI）、开关量输入输出设备、被控对象、上位机等构成,其系统构架的框图如图2 所示.
2.2 装置的软硬件设计
2.2.1 输入输出设备
输入设备主要用于工业现场开关量信号的模拟,包括按钮、接近传感器、转换开关.其中接近传感器包含了磁性开关、光电开关、光纤传感器、电感式接近开关,学生通过现场实训,可以掌握接近传感器的结构、工作原理、电气接线、安装及调试.输出设备的选择限于面板的空间,为满足布局的整齐美观,在此只选用了体积较小,具有典型功能的指示灯、继电器及步进驱动器和步进电机.
2.2.2 可编程控制器PLC
结合专业课程的延续性,可编程控制器PLC 选用西门子公司S7-200 系列的CPU226CN（DC/DC/DC）型号.S7-200-226 PLC 具有两个RS485 通讯接口,该接口既可以作为编程接口,也可以作为操作终端接口,连接人机界面（HMI）设备.另外,该通讯接口支持西门子PPI（点对点主从站模式）协议.另外,该型号PLC 具有两路的高速脉冲发生器,以满足驱动步进电机的运行.
2.2.3 上位机及人机交互界面（HMI）
上位机安装有西门子STEP-Micro/WIN V4.0 编程软件和组态软件MCGS,可利用组态软件实现被动对象的仿真,对被控对象进行监控.人机界面设备提供了人机交互的方式,是操作人员与PLC 控制系统交互的接口设备.该装置选用了由昆仑通态研发的人机界面TPC7062K.TPC7062K 触摸屏与S7-200PLC 完全兼容,为S7-200PLC 提供了过程监控与监视.
2.2.4 被控对象
为更好地让学生掌握工程控制系统,根据当地工业产业发展的特点及我校现有实训设备的实际情况,选取了7种典型的被控对象,每种对象2 套,共计14 套设备.被控对象包括了四路抢答器控制系统、运动控制小车、十字滑台装置、自定心三爪装置、气动机械手装置等.每一套装置都是一个独立控制系统,覆盖了PLC 控制技术、传感技术、气压传动技术、伺服驱动技术以及西门子PPI通讯技术.实训教学装置与被控对象通过西门子PPI 通讯协议构成通讯网络,装置与被控对象通过RS485 串行通讯实现互联的分布式控制方式,装置作为主站,被控对象作为从站.
3 实训项目开发
作为高职高专院校,实训教学是整个教学环节中非常重要的一个环节,能够让学生加深理论知识的理解,提升实际操作能力及实践能力.根据实训内容由浅入深,教学项目由易到难的教学目标,本装置的实训教学项目总体上分为三个层次：
（1）以输入、输出设备作为控制对象的实训项目.通过按钮、传感器等输入设备对指示灯、继电器进行控制,熟悉STEP-Micro/WIN V4.0 编程软件,掌握西门子PLC 的基本指令的用法,包括定时器、计数器指令等,掌握PLC 编程的一般思路和方法；以步进电机为控制对象,了解步进驱动器及步进电机的选型、安装、接线,掌握位置控制向导、运动控制指令的编程步骤,学会程序的调试过程,为后续的综合实训项目打基础.
（2）以西门子PLC 和组态软件MCGS 作为对象的实训项目.通过触摸屏与PLC 的硬件连接及组态软件的编写,熟悉触摸屏与PLC 的通讯方式,掌握组态软件的编程方法,实现利用组态画面实时的监控PLC 的运行状态,监视输入输出设备的当前运行动作.另外,可以通过组态软件模拟仿真被控对象,增加实训教学内容,丰富实训教学项目.
（3）基于网络通讯的综合实训项目.被控对象作为一个独立的控制系统,可与装置进行组网,利用RS485 接口实现PPI网络的构建.学生可利用实训装置实现对被控对象的控制,这过程需要学生从电气图纸的绘制、PLC 输入输出信号的分配、控制流程图的绘制、PLC 程序的编写、组态软件的编程、通讯网络的组态等方面进行综合性的训练.通过综合项目的训练,不仅能够让学生掌握自动化相关技术,更是可以让学生掌握一个完整的工业控制项目的开发流程.该装置也可作为毕业综合设计的平台,学生可以自己设计机构,以该装置作为控制器,实现毕业设计的制作.
4 结语
本文针对PLC 技术、自动化应用技术、毕业综合实训等课程设计并实现了基于PLC 的综合实训装置,装置包含了当前工业自动化领域的相关前沿技术,具有维护方便、实用性高、可拓展性强等特点.同时,本文还依托该综合实训装置,讨论了实训教学的内容,实训项目内容从易到难、从基础性知识的操作到综合性项目的设计,为学生学习和创新搭建了一个良好的平台.
实训教学论文范文结:
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