便攜式PLC學習實驗箱設計分析

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摘要：基于教學需要，設計了一種便攜式的plc學習實驗裝置。裝置包括箱體，PLC控制器，輸入輸出模塊，步進絲桿滑臺等。設計提供了一種基于以太網(wǎng)通信，工業(yè)觸摸屏作為人機界面，以步進電機絲桿滑臺作為被控對象能夠實現(xiàn)運動控制的便攜式PLC實驗裝置。該實驗箱不僅能夠完成PLC教學中的各種經(jīng)典控制實驗，而且能夠完成運動控制、位置控制等智能控制實驗。該實驗裝置有利于提高學生熟練掌握PLC技術的運用能力和實踐創(chuàng)新能力，符合國家培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程技術人才的需要。

關鍵詞：便攜式；PLC；學習實驗箱

PLC課程是高職高專院校機電一體化類和自動化類專業(yè)的一門主干核心課程。目前，不論是國內自行設計的自動控制系統(tǒng)還是從國外引進的自動生產線，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)對高技能人才的需求，學校就必須提高PLC課程教學質量，以“培養(yǎng)學生實踐能力為導向”，組織更高水平的PLC綜合實訓，為企業(yè)培養(yǎng)實踐能力達標的機電一體化技術人才。PLC課程作為一門實踐性、綜合性很強的專業(yè)課程，目前的教學出現(xiàn)了一些的問題：①學校的PLC綜合實訓臺雖然功能比較強大，但是體積龐大、價格昂貴、數(shù)量有限。這就導致學生實訓操作時間嚴重不足，距離企業(yè)崗位技能要求有較大差距；②由于現(xiàn)有實驗設備的限制導致PLC課程的學習只能在學校實驗室進行。近年來，隨著各種技能大賽，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽的開展，越來越多的學生不再滿足于課堂內的實踐，他們希望能在家里、圖書館等場所進行學習；③現(xiàn)在學校使用的PLC教學設備存在一定局限性，例如：可變性不強、模式比較固定、不適合實施以學生為主導的探索式學習。鑒于對以上問題的思考，便于更好地開展PLC課程的實訓教學，本文設計并開發(fā)了一臺便攜式PLC學習實驗箱。

1系統(tǒng)構成

便攜式PLC實驗箱系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。本實驗裝置以PLC為控制器，觸摸屏作為人機界面?？刂破骱陀|摸屏之間采用EtherNet／IP協(xié)議通信。實驗箱采用鋁合金手提箱形式，上下合蓋安裝有角度限位撐桿，結構緊湊美觀，易便攜。實驗箱包括：PLC單元及PLC電源模塊、觸摸屏、路由器、步進電機絲桿滑臺、步進驅動器、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、轉換開關、光電傳感器，輸出單元包括指示燈和步進驅動器、步進電機。圖2為便攜式PLC學習實驗箱的實物圖。

2系統(tǒng)設計

2．1控制器

控制器選擇了羅克韋爾自動化Micro800系列的Mi-cro850，型號為2080－LC50－48QBB的可編程控制器。該控制器有48個數(shù)字量輸入輸出點，可容納2－5個功能性插件模塊，額外支持4個擴展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，可通過標準RJ－45以太網(wǎng)電纜實現(xiàn)網(wǎng)絡編程和通信。具有3個100KHz脈沖序列輸出（PTO），6個100kHz高速計數(shù)器輸入（HSC），可實現(xiàn)與步進電動機，伺服控制器的低成本接線。本實驗箱的PLC控制器可根據(jù)實際需要更換為其他品牌的PLC控制器。

2．2人機界面

觸摸屏作為主要的人機界面，它可以用來設置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、監(jiān)控設備狀態(tài)以及曲線或動畫等形式描繪被控對象的控制過程。觸摸屏選用了AB公司生產PanelView800系列的型號為2711R－T7T的圖形終端設備。觸摸屏通過工業(yè)以太網(wǎng)Ether-Net／IP協(xié)議與控制器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2．3輸入輸出設備

輸入設備為多個常開自復位按鈕、自鎖按鈕及2個轉換開關，多種按鈕組合能夠滿足不同的控制要求。輸入設備還包括了絲桿滑臺上的3個光電傳感器及1個光電增量式的編碼器。學生們可以借助實驗箱學習這些生產現(xiàn)場常用的開關量輸入設備的工作原理和接線方法。輸出設備除了常用的指示燈，還有體積較小、有典型功能的步進電機和步進驅動器。選用步進電機作為被控對象是因為當前工業(yè)生產活動中步進電機的應用非常廣泛。步進電機具有極強的靈活性和實用性、系統(tǒng)成本也較低，因此在工業(yè)生產中具有很大的應用價值。

2．4被控對象

被控對象選用了步進電機驅動的絲桿滑臺機構。步進電機帶動絲桿滑臺運動，配合編碼器、光電傳感器實現(xiàn)步進電機閉環(huán)控制。學生可以通過該被控對象學習PLC運動控制指令及編程方法。隨著工業(yè)4．0和智能制造的推進，滿足各行業(yè)需求的集成運動控制的PLC的應用才是學生需要重點掌握和學習的內容。

2．5網(wǎng)絡設置

智能制造的網(wǎng)絡化要求PLC具備較強的網(wǎng)絡通信能力，未來PLC將采用實時工業(yè)以太網(wǎng)技術實現(xiàn)高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡通信。本實驗箱是基于EtherNet／IP以太網(wǎng)通信協(xié)議的控制網(wǎng)絡結構。通過路由器和網(wǎng)線連接PLC控制器、觸摸屏、PC機及被控對象驅動器，依靠PC機上的軟件平臺實現(xiàn)設備組態(tài)并完成通訊。

2．6裝置軟件

上位PC機中設置了羅克韋爾Micro800系列控制器的設計、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編程軟件和各個設備之間的通信驅動。羅克韋爾人機界面終端PanelViewComponent的組態(tài)和編程也是在CCW軟件中完成的。上位機中還可安裝工控組態(tài)軟件FactoryTalkViewStudio，從而構建一個統(tǒng)一監(jiān)控和管理整個生產過程的監(jiān)控系統(tǒng)。

3實驗箱在教學中的應用

在PLC課程的教學工作中，實訓教學內容是非常重要的。本實驗箱是為了提升學生的PLC實踐操作能力而開發(fā)的實驗裝置，制定教學項目時，應以實際工程項目設計過程為導向，從簡單到困難，從基礎到綜合，制定多層次的實驗項目。實驗項目可以分為三個層次。

3．1基礎型實驗

這類實驗項目以按鈕和光電傳感器為輸入設備，以指示燈為控制對象，完成經(jīng)典的PLC控制項目，例如流水燈、交通燈、搶答器等。通過基礎性實驗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，同時掌握PLC與觸摸屏的通信及簡單人機界面設計。

3．2應用設計型實驗

這類實驗將控制對象設定為步進電機驅動的絲桿滑臺。通過實驗讓學生掌握步進驅動器的接線方法、PLC運動指令、滑臺位置控制的方法及程序調試方法。讓學生完成基于觸摸屏的絲桿滑臺運動監(jiān)控系統(tǒng)和基于組態(tài)軟件的絲桿滑臺運動監(jiān)控系統(tǒng)兩個綜合設計項目。這些綜合類的實驗項目從基礎到綜合，有利于引導學生從被動的接受轉變?yōu)橹鲃拥奶剿鳌?/p>

3．3拓展創(chuàng)新型實驗

拓展創(chuàng)新型實驗的被控對象可以選用實驗室現(xiàn)有的碼垛機機械手（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)。學生可以借助這些外加的控制對象學習分布式控制系統(tǒng)的組態(tài)、主從控制器之間的數(shù)據(jù)交換、碼垛機機械手設計等綜合實驗項目。本實驗裝置可以提供給學生自行設計控制系統(tǒng)，完整地學習工控項目開發(fā)流程，用于完成畢業(yè)設計或者進行創(chuàng)新實踐活動。這類拓展創(chuàng)新型實驗能夠培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和工程實踐能力，充分激發(fā)學生潛能。

4結束語

該實驗箱不僅能夠完成PLC教學中的各種經(jīng)典控制實驗，而且能夠完成運動控制、位置控制等智能控制實驗。該裝置有利于提高學生熟練掌握PLC技術的運用能力和實踐創(chuàng)新能力，符合國家培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程技術人才的需要。同時本實驗裝置考慮了本校實際情況，在使用過程中能規(guī)避傳統(tǒng)實訓設備的不足，是“新工科”背景下學校建設實驗教學儀器設備的一次嘗試和積極探索。

參考文獻

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［3］鄧磊．PLC綜合實訓教學裝置的設計與應用研究［J］．計算機產品與流通，2020（5）：167

作者：吳茹石 單位：無錫機電高等職業(yè)技術學校