可编程控制器控制系统设计与调试一体化课程设计

魏海翔　 刘翠华

摘 要：可编程控制器控制系统设计与调试一体化课程设计是根据企业对高技能型人才的要求，并联系企业生产实际要求实施的一门综合应用型课程。该课程以企业实际工程为主线，以高新技术为支撑，以全新的一体化教学模式为载体，培养高素质的技术技能型人才，促进技工教育和职业培训教学改革和发展。本文从可编程控制器控制系统设计与调试课程总体设计、可编程控制器控制系统设计与调试课程实施详细步骤及可编程控制器系统设计与调试课程实施项目等方面进行了阐述。

关键词：可编程控制器 课程设计 一体化教学 技能人才

在当代先进制造业中，现代化生产都实现了自动化控制，这不但适应了社会经济的发展，急速减少了操作工人的数量，解决了我国当前工业经济发展中遇到的用工荒问题，而且大幅度提高了产品质量和生产效率，提升了我国工业的竞争力。为实现自动化生产，现代工业都采用了可编程控制器进行系统控制，淘汰了以往以接触器、继电器等电气元件为主的继电器控制系统，继电器控制系统的体积庞大、线路复杂、灵活性差、成本高、可靠性差、维修困难等缺点是无法克服的，不能适应当代快速发展的工业生产需求。而以可编程控制器为核心的可编程序控制系统集三电（电控、电仪、电传）为一体，具备自动化集成度高、技改灵活、运行稳定可靠、扩展方便等优点，因此，可编程控制器成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为工业4.0的主要技术之一。

中国要从制造大国转变为制造强国，掌握先进的现代工业自动化技术是必不可少的。现代化生产中，可编程控制器控制技术已经成为电气技术人员和工科学生的基本要求，但在实际教学中发现能熟练掌握和运用可编程控制器控制技术的学生很少，这就要求有新的一体化教学来促使学生熟练掌握这门技术。

一、可编程控制器控制系统设计与调试课程总体设计

可编程控制器控制系统设计与调试一体化课程结合了企业实际工程，以工程技术人员完成整个项目的工作过程为教授的模板，以培养工程技术人员的方法培养学生，培养学生的学习能力、思考能力、动手能力、团队合作能力等，以提升学生的综合能力为主要目的，促使学生牢牢掌握先进的工业自动化技术，并能运用所学的技术技能解决实现工作中所遇到的问题。教师在可编程控制器控制系统设计与调试一体化课程中，除了向学生传授先进的工业自动化技术之外，更重要的是指导学生如何进行正确的分析问题、解决问题、总结问题，为学生日后能成为高技能型人才打下坚实的基础。从事这门课程教学的教师要有丰富企业经验和较强的教学能力，对教师也是一个提升。

可编程控制器控制系统设计与调试课程结合了多门课程：CAD制图（画电气控制图）、工具的使用及机械加工（电箱制作）、电力拖动（控制线路的设计及制作）、电工基础（元件的选择）、传感器技术（传感器的选择及使用）、写作（编写技术文件）、PLC技术（控制系统的设计）、变频器技术（控制系统的设计）、触摸屏技术（控制系统的设计）、组态技术（控制系统的设计）等，是一门多学科的综合应用，是学生毕业前的一次实战。

可编程控制器控制系统设计与调试课程教学主要是以学生为主，教师为辅；学生独立完成，教师监控指导；贴近企业生产实战，培养技能技术，培养技术员，以一毕业就能上手为目的。

可编程控制器控制系统设计与调试课程真实再现技术项目实施的全过程，从提出工艺要求→过程设计→元件选择→电柜制作→程序编写→安装设备调试→技术资料整理→交设备、技术资料→验收。通过该课程的学习，学生能充分体验作为一个工控人的乐趣和存在的工作压力，掌握进行企业技术改造的流程和工作方法。

可编程控制器控制系统设计与调试课程实行分组学习，项目连续实施，每组4人，团队合作完成。

二、可编程控制器控制系统设计与调试课程实施详细步骤

1.根据客户的项目工艺要求，确定项目的电气控制方案

根据客户提供的项目工艺流程、工艺要求和完成的目标，仔细分析完成每个工艺流程步骤所要涉及的机械动作，以及要完成机械动作所需的电机、液压、气动等运行方式，提出控制方案，确定控制方式，撰写项目设计任务书，在对工艺要求有疑问时要及时与客户联系沟通，确保设计方案的正确性。通过这个步骤，培养了学生的分析问题、发现问题、解决问题的能力和与人沟通的能力，也让学生对所学的电气控制技术进行一次总结，另外也让学生学习到了正在企业中运用到的先进技术，学生也能掌握电气控制系统设计理念。

2.根据设计任务书进行项目的设备选型

以项目控制系统设计方案为基础，选择控制所需的开关、按钮、传感器等系统输入设备的型号和品牌，以及指示灯、中间继电器等系统输出设备的型号和品牌；根据输入输入信号类型和数量，控制对象，选择可编程控制器型号，确定可编程控制器容量、I/O点数、特殊模块等内容；根据动力要求，通过计算力矩的大小，并根据动力运行模式，选择电机类型如：伺服电机、变频电机、普通电机等，并选择电机的容量和型号。在这个环节，教师教授学生做预算、选型、计算力矩等方面的基础知识，学生可以通过网络调查、电气设备市场咨询等方式进行工程实践，了解电气设备的类型、质量、价格等方面的知识，掌握如何做预算、如何选型、如何计算力矩等工程技术人员必备的知识，为自己拥有设计能力打下基础。

3.设计项目的电气电路图

根据项目控制系统设计方案和设备的选型进行项目电气电路设计。首先分配可编程控制器的I/O点，画出I/O分配表，以可编程控制器的核心，设计外围电路设计，并转化为电气原理图、接线图。在这部分，学生对电气电路图不但要能看得懂，还得深刻理解，掌握电气电路图的特点和一般规律，以及电气制图的方法和电气元件标识及绘制，学会使用CAD进行电气电路图的设计，另外也能进行电气设备布置图、接线图的设计。

4.装配电气硬件

根据项目电气器件布置图、接线图，进行控制柜和操作台的制作。在这个过程中，教师传授机械加工、电气硬件装配的经验和方法，并传授世界技能大赛机电一体化项目装配工艺要求，让学生开阔视野，了解国际技能标准并掌握。学生经过这个过程的训练，要能进行电气硬件的设计和现场施工，掌握机械加工方法，如机械工具的使用、钣金加工、机床使用等，并具有机械装配的能力；根据接线图按世界技能装配工艺标准进行现场接线，包括导线的使用、冷压端子的压制、线路的连接等方面内容，并进行详细检查线路连接的正确性。

5.项目程序设计

根据项目控制系统设计方案进行程序设计，结合项目的工艺过程选择适合的编程方法，比如是使用经验法编程方法，还是用步进编程方法。编写的程序以要满足系统控制要求为主线，分别编写实现各部分控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统整体功能。教师结合世界技能大赛机电一体化项目，讲解在企业工程项目中编程要注意的内容：安全保护措施的设计、人机对话的设计、程序相互保护设计、优化设计等。学生通过编写具体的工程项目，有了实际工程程序设计的经验，学与用不再脱节，学生通过学习编程设计，掌握工程编程设计技巧，不会觉得工程程序设计高深莫测，树立起日后从事技术工作的信心。

6.项目程序的模拟调试

项目程序设计完成后，还要进行模拟调试，模拟工程项目现场运行过程，给程序运行提供运行信号，观察程序运行的结果是否符合项目要求，确保程序的正确性。学生通过模拟调试掌握二种模拟调试的方法：硬件模拟法、软件模拟法。学生可以通过使用按钮、信号发生器等硬件设备模拟产生现场的信号，并将这些信号连到PLC系统的输入端，操作输入信号观察输出信号是否正确，来检测程序的正确性。学生也可以编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，通过软件的监控功能来判断程序的正确性。

7.联机调试

程序模拟调试完成后，把该程序应用到工程项目中。调试过程应循序渐进方式，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。不符合设计要求的，就对硬件或程序做出相应的调整。另外，根据实现情况进行程序和机械优化，在安全可靠的前提下，尽可能地提高设备工作效率和减小能耗。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，保存程序，防止丢失。在调试中，学生会发现很多问题，教师只是起引导作用，培养学生独立解决问题的能力。

8.整理和编写技术文件

项目设计、安装、编程、调试完后，要进行技术文件编写和整理，把使用说明书、技术说明书、电气电路图、线路接线图、电气元件明细表、PLC程序等交给客户。教师在这个环节要教授技术文件撰写技能。学生通过这个环节，既掌握了技术文件的撰写，同时也提高了他们的写作能力，为他们日后写作论文打下基础。

三、可编程控制器系统设计与调试课程实施项目

以项目—退火炉传输辊道PLC控制系统设计为例。

传输辊道是在生产企业中最常见、使用最广的设备之一；它用来传送物料，节省人力、提高生产效率；传输系统即可实行简单控制，也可实施复杂的全自动控制。该项目可根据学生对知识的掌握程度设置难易度，但都可实际运用在生产中，使学生掌握生产工艺和电气设备设计技巧。

设计任务书内容为：

1.设计题目

退火炉物料输送辊道PLC控制系统设计

2.设计要求

（1）设计基本要求。

①退火炉物料输送辊道控制主线路由一台1.5kW的Y系列三相交流异步电机及其控制元件组成。

②炉门的升降和辊道的运行之间的配合和联锁必须符合工艺要求。

③控制系统应能满足全自动循环加工工艺和手动调整工艺的需求。

④输送辊道按顺序一个物料进入退火炉，满足一定条件后，再把物料输送出退火炉，完成了一次输送任务。再接着第二次工作。

⑤本系统主电路供电系统电压为交流380V、控制电路为交流220V、PLC控制电路为直流24V、指示灯为直流24V。

⑥进行系统设计时，要注意安全措施设计、硬件联锁设计、电压等级设计、PLC程序联锁设计等方面。

（2）技术改造要求（可任意选择其中的一项或多项）。

①在不同的区域实施多段变频速度控制。

②根据炉温实施自动控制。

③使用触摸屏实行人机对话。

④实行电脑监控。

（3）设计技术参数。

①辊道电机：Y112M-1.5 1.5kW 1440r/min 2.2A 380V

②炉门升降电机：Y112M-1.5 1.5kW 1440r/min 2.2A 380V

（4）设计内容。

①根据退火炉物料输送辊道运行工艺和控制流程设计功能图表。

②根据设计要求，选择控制方案。

③进行PLC选型，设计PLC硬件系统，画出相应的PLC接线图。

④选择PLC控制系统元件，并列出元件明细清单。

⑤控制柜的设计及外围元件的设计。

⑥设计PLC控制梯形图。

⑦编写设计说明书。

（5）所需元件。

①三菱PLC：FX2N-48MR-001

②三菱温度模块：FX2N-4AD-TC

③热电偶：K型

④三菱变频器：FR-D740-3.7K-CHT

⑤三菱触摸屏：GT1100-Q-C

⑥电箱：800X800X500（底板、面板可更换）

⑦按钮开关、指示灯、行程开关、光电开关、接近开关

⑧220V交流接触器、24V直流中间继电器、DC24V电源

⑨控制导线、电缆、线号管、线槽、卡轨

（6）所需工具。

①电钻、开孔器、丝锥、钻头

②万用表、电工工具等

四、小结

可编程控制器控制系统设计与调试一体化课程是通过学生自己动手完成工程实例的一门课程，该课程不但提高了学生的学习兴趣，同时提高了学生的电气自动化技术和技能，而且使学生深刻领悟和掌握了世界技能大赛机电一体化项目的精髓：安全、可靠、高效、节省，更重要的是学生学会了日后从事技术工作的工作方法。

参考文献：

[1]刘晓青，李晋.电气控制与可编程序控制器教学思考[J].中国电力教育，2011（7）.

[2]魏志强.浅析学好PLC的必备条件[J].职业，2014（36）.

[3]袁琦；刘晓梅等.PLC应用技术课程教学改革的研究与实践[J].教育教学论坛，2015（4）.

[4]陈在平等.可编程序控制器技术与应用系统设计[M].北京：机械工业出版社，2002.

[5]廖常初.PLC基础及应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

（作者单位：魏海翔，中山市技师学院、华南理工大学；刘翠华，中山市黄圃镇科委）