双系统模块化控制实训装置的研制与应用

赖永波 严 惠

摘 要:针对高职院校自动化和机电一体化类专业实训教学需求,指出当前实训教学设备不适宜整合教学的原因和存在的主要问题,本文研制了一种新颖、经济且可操作性强的西门子和三菱PLC双系统模块化控制实训装置,阐述了PLC双系统模块化控制实训装置的结构与功用价值,该装置充分的整合了自动化和机电一体化两类专业实训教学需求,对高校实训设备建设和课程改革具有指导意义。

关键词:PLC双系统 模块化控制 实训装置 实训教学

目前高职院校自动化和机电一体化两类专业开设的相关专业课程,虽实训教学得到不同程度的加强和发展,但是由于实训教学设备的不足,以及实训设备不能够充分地整合专业课程设置,直接影响了实训教学的层次和高职人才的培养质量。为学生提供一个能充分体现职业性的实训实践场所,配备可操作性强的系统化的实训设备,加强实训教学,重视技能的培养,已成为衡量高职院校办学的重要标准。

鉴于上述问题,我院机电和自动化教研室联合研制出一种PLC双系统模块化控制实训装置,该装置充分地整合了自动化和机电一体化类专业技术领域内可编程控制器、变频器、交直流电机、传感器、组态控制、液压与气动、数控加工、机械设计与制造等课程的实训和实习实践教学。通过对该双系统实训装置的阐述,期望引起同行关注实训设备的建设和实训课程教学的改革,推进高职教育的发展。

一、当前自动化和机电一体化两类专业实训教学设备的现状

1.硬件和软件整合种类少,实际学习操作机会有限

目前高等院校使用的实训教学设备,一般结构固定,选用的机械和电器类型固定单一,接线固定,不允许随意拆卸或组合;搭载的软件孤立单一,系统化在线运行和离线模拟有限,导致在实训教学中学生真正动手操作机会有限,直接影响实训实践技能的培养与提高。

2.系统化少,重复建设,设备资源利用率低

当前使用的实训教学设备,主要根据某一课程要求,在满足基本教学条件下而仿制的,设备的针对性强,导致涉及的专业技术领域狭窄,存在技术单一的局限,无法实现机、电、气、液联动一体化,系统化程度极底,不能给予学生从更宽广的认知角度来学习和认识当今工业生产流程。

机电一体化类实训和自动化类无关联,能够完成机电一体化类课程的实训设备,只要简单置换或组合一下硬件模块以及安装相应的软件之后,就可完成自动化类实训教学需要。以至产生重复建设,导致实训设备资源浪费、利用率低。

二、PLC双系统模块化控制实训装置的构成与功能

1.实训装置的硬件组成

在一个环行的制造生产线上,集成9种涵盖当今一般工业控制流程所必需的机械执行部件、电气设备,将他们按照机械电气类型或工程上的组合方式构成不同的模块单体,在考虑工作目标和控制要求,以及易操作条件下,将模块单体合理的分布在环行生产线上。采用安全接插件和保护装置与外电网相接。装置组成如下(见图1)。

9种模块单体为:供料工作单元、液压冲压单元、数控加工单元、清洗与烘干单元、视觉检测单元、组装单元、堆垛单元、仓库存储单元、教师站网络单元。

2.实训装置的硬件功能

供料工作单元实现工件的存储、转移和工件运输功能,工件供应单元是整套系统的起始单元。

液压冲压单元配置全套日本SMC/行程45MM液压控制系统,实现液压的冲压加工功能,上一站工件到达后,加工成半成品送出,本单元还设置半成品检测传感器,以检查是否加工合格。

数控加工单元由HNC-18i数控机床控制器、伺服务器定位与变频主轴驱动系统和西门子802C小型数控机床三部分组成,采用机电一体化技术和独特的结构。实现对塑料、木材和铝材的精密加工和处理,比如铣、扩、雕刻等功能。

清洗与烘干单元机械手将流水线上的工件抓取,当清洗检测传感器检测到工件到达后,自动喷头开始喷水对工件进行清洗,清洗完成之后,对工件进行烘干处理。

视觉检测装置配置邦纳视觉传感器,接受环行制造生产线皮带运输的工件,完成工件形状、外观等精确性能指标检测,如果工件表面有损伤,将工件放置到不合格工位,反之则通过气动机械手运输回环行流水线上。

组装单元由坐标机器人将工件包装底座运输、转移,模拟工件准确放置,还要准确加放顶盖功能,实现复杂的逻辑控制,生成一套完整的成品。

堆垛单元采用轴关节机械结构,通过服务器与步进控制系统,配置电感、颜色、光纤三种传感器,机器人分别可以进行产品材料、颜色和厚度检测功能,不合格产品将放置到储存板上,并为仓库单元做准备。

仓储成品单元配置堆剁机,根据设定的仓库库位号进行计算,自动完成几行几列的查找任务,将成品货物进行全自动出入库。

3.模块单体的双系统控制关系

实训装置的核心是西门子S7-200/300和三菱PLC模块双系统,在每个单体上装配有S7-200和FX-2N双控制模块、PC机、HMI触摸屏,对应的机械和电器执行机构。通过切换开关实现西门子和三菱PLC系统独立运行,控制关系原理图如下(见图2)。

通过教师站(上位机)单元网络,进行数据通讯。配置了一套S7-300 PLC系统,系统包括了PROFIBUS-DP通讯接口和以太网通讯模块,两种总线通讯方式都可以完成与每个模块单元的通讯功能,而且以太网总线可以将PLC与多台PC连接在统一的网络中,这样任何一台PC机均可以访问到任何模块单体PLC,系统可以自由组合,完成联动、联控等功能。

三、双系统实训装置的技术指标与应用

1.实训项目

本系统具有模块化、综合性、易扩充及与实际生产过程的相似性等特点。实训过程可以从基础的简单操作和控制逐步扩展到对复杂操作的控制,具有非常强的自主性、灵活性和创新性。系统模块的机械结构、执行机构和电气控制回路完全独立,可以满足独立教学,模块之间的机械连接通过锁扣式结构,拆、装都非常方便,操作性强。

供料单元可单独完成PLC综合编程、气动综合、传感器、电机综合控制、机械安装与调试技术、电气控制技术等16个子项实训。

液压冲压单元可单独完成PLC综合编程、液动技术综合使用、传感器技术、步进调速电机、冲压机床机械安装与调试技术等22个子项实训。

数控加工单元装置可完成电气技术设计、故障诊断、电气维修、数控机械设计、控制编程设计等8个子项实训。

清洗与烘干单元配置了模拟量输入输出模块,不但可以实现恒压与恒温控制,而且还可以进行PID算法在内的等21个子项实训研究。

视觉检测单元可单独完成磁性藕荷无杆气缸设计与使用,PLC与光、机、电、视觉传感器综合,气动机械手综合编程实验等10个子项实训研究。

组装单元可单独完成PLC与电感、光电、霍尔、机械传感器综合,直线坐标机器人HMI触摸屏组态综合,直线坐标机器人装置全自动控制编程课程等16个子项实训研究。

堆垛单元可单独完成PLC综合编程、轴关节机器人与伺服电机综合控制、气动技术综合使用、颜色、光纤传感器技术等19个子项实训训练。

仓库存储单元可单独完成PLC堆剁机与变频器综合控制、编码器测量技术、电容传感器技术、位置定位等20个子项实训。

系统中所使用的电气元件均采用24V直流电源供电,每一个工作单元都具有自己的控制信号输入及双PLC模块控制板,系统中任何两单体、三单体、四单体组合连在一起,可完成机电一体化和自动化类课程实训教学,课程实习模拟现代制造和加工自动化的典型过程。有近10个系统化工程实训课题。

2.实训的技能目标

通过该实训装置的学习和实践训练,初步掌握电气设备的选择与系统布线技术;认识系统总体设计方案;掌握简单的机械与电气控制系统设计;建立控制系统的工程化设计思想;掌握西门子与三菱两大主流PLC控制系统的一般编程;认识机电一体化系统的集成、联动方法;掌握机电一体化系统的测试、调试、维修初等技能。

四、双系统实训装置的应用

1.教学领域

(1)该装置模块单体分开培训可以容纳较多的学员同时学习,也可为毕业设计、生产实习、课题研究等提供一个实践平台。

(2)该装置的研制整合了自动化和机电一体化两类专业中所有专业技术,通过150多个实训项目涵盖了两类专业的所有专业课程。融合了最新的现代技术,充分的体现了高起点、新要求、应用性宽广的特点。

(3)该装置的应用具有宽广性,解决了有史以来自动化和机电一体化两类学科的交接知识领域的教学难题,为学生提供了一个更宽泛的学习与实践平台。

(4)该装置的研制与实践,在培养学生工学一体化、理实兼备的技能同时,向教师提出了更高的要求,教师应具有丰富的专业技术和课堂组织教学能力。

2.科研领域

(1)自行研制实训装置,节约资金,提高教师的实践能力,为高校研制实训教学设备提供了一种借鉴。

(2)该装置的实训教学,不仅可以改进课程设置、教学内容和方法的改革,而且将推动两类专业人才培养模式的创新。

(3)该双系统生产控制线,可靠性高,加以改造可将比例缩小运用于精密仪器仪表加工,也可几何扩大成现代先进工业生产流程线。

(4)该装置的实训教学,对培养和提高双师型教师队伍能发挥积极的作用。

参考文献

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[3]张斌,王纬武,关琦.挖掘改造现有装置资源-提高学生实训效果[J].职业与教育,2007,(11)