基于N:N网络的光机电一体化实训装置改造

陈彦彬

(揭阳职业技术学院　实训中心，广东　揭阳　522051)



基于N:N网络的光机电一体化实训装置改造

陈彦彬

(揭阳职业技术学院实训中心，广东揭阳522051)

为改善学校电气自动化专业实训教学条件，开发出符合学校教学实际的实训装置，形成集基础实验、验证实验、技能实操和设计创新为一体的实训系统。介绍了实训装置改造的基本思想、改造内容以及具体改造的实现过程。利用N:N网络改造光机电一体化实训装置，将机械手单元作为主站，上料单元、分拣单元作为两个从站。通过装置训练可使学生掌握PLC及其功能模块应用技术、电气控制技术、变频器技术、传感器技术、触摸屏及组态技术等工业控制技术。

N:N网络；可编程序控制器；光机电系统；实训装置

SX-815E型光机电一体化实训考核装置为某教仪公司开发的集PLC应用技术、电气控制技术、变频器技术等一体的机电一体化系统，但整个系统各部分之间协调工作仅靠单台PLC控制器进行控制[2]。鉴于维修电工国家职业资格实操考核以及全国职业院校技能大赛自动化生产线安装与调试集训的需要，利用N:N网络对实训装置进行改造，同时引入FX0N-3A功能模块、旋转编码器等工业常见控制技术，使系统同时满足职业资格考核和技能大赛集训的实际需要，提高了系统的实用性。

1　原实训装置介绍

SX-815E型光机电一体化实训考核装置在铝合金导轨式实训台上安装上料机构、上料检测机构、机械手搬运机构、物料传送和分拣机构等[3]，构成具有一定生产功能的机电一体化设备，系统各机构之间采用气动驱动、变频器驱动等技术。控制系统采用模块组合式，由PLC 模块、变频器模块、触摸屏模块、按钮模块、电源模块、接线端子排和各种传感器等组成。系统包含了电气自动化及机电一体化专业学习中所涉及的电机驱动、机械传动、气动、可编程控制器、传感器、变频调速、触摸屏及组态等多项技术，为学生提供了一个切近实际的综合实训环境。

光机电一体化实训考核装置外观如图1所示。按启动按钮后，PLC 启动上料机构中放料盘直流电机，物料由进料槽滑到物料检测台，物料检测光电传感器开始检测；当检测台上光电开关检测到物料时放料盘电机停止运行，同时PLC 发出控制信号，驱动上料气缸上料，机械手左转，臂伸出同时手爪下降抓物，然后上料气缸下降重新上料。手爪提升臂缩回后，手臂向右旋转到右限位，手臂伸出，手爪下降将物料放到传送带上，传送带输送物料，传感器则根据物料性质(金属和非金属)，分别由PLC 控制相应电磁阀使气缸动作，对物料进行分拣。最后机械手返回原位重新开始下一个流程。

图1　光机电一体化实训考核装置

2　改进方案

2.1装置改造的基本思想

1)满足分布式控制系统设计教学需要。运用目前工控领域先进的、实用的N:N工控网络技术，具有群控以及分布式的特点，增强装置的实用性，以提高学生工程实践能力[4]。

2)满足维修电工职业技能鉴定中高级、技师鉴定实操考核的需要。《国家职业技能标准·维修电工》(2009年修订)中明确规定要学生熟练掌握气动、变频器、触摸屏等知识及其综合运用多种技术的能力。

3)满足职业技能大赛集训的需要。从全国职业院校技能大赛广东选拔赛近两年指定的竞赛设备看，都综合运用了步进及伺服电机驱动、机械传动、气动、可编程控制器、传感器，变频调速、触摸屏以及网络通信等技术，通过改进使其涉及大赛相关知识点。

4)满足学生课程设计的需要。实训装置承担了不同专业、不同课程、不同教学层次的教学任务，要求装置具备开设基础性实训项目、验证性实训项目、设计性实训项目以及综合创新性实训项目等能力，提高装置的实用性和先进性[5-6]。

2.2装置改造内容

1)将实训装置由1台PLC控制改为由3台PLC共同控制。其中控制机械手搬运机构的PLC为主站，同时人机交互界面也连接至主站；控制上料机构的PLC为1#从站；控制物料传送及分拣的PLC为2#从站[7-8]。改进后的装置通信网络配置如图2所示。

图2　改进后的装置通信网络配置

2)在物料传送和分拣单元的驱动电机中增加增量式旋转编码器、物料性质检测传感器移至前面检测口。改造后物料传送和分拣机构的结构图如图3所示。

图3　改造后物料传送和分拣机构结构图

3)在物料传送和分拣单元中增加FX0N-3A功能模块，使得分拣单元电机传送速度可通过人机界面调节，同时可以实时监测系统运行速度。

4)3个PLC中均增加FX2N-485-BD通信板卡，利用超五类双绞线连接，确保系统通信正常进行。各通信卡之间接线图如图4所示。

图4　通信卡之间接线图

5)在装置中新增变频器的PU端口及触摸屏RS422接线端口，使其单机情况下该装置可以训练触摸屏与变频器通信项目。

6)在上料机构进料槽中增加光电开关，作为检测料不足和缺料传感器，增加系统的实用性。

3　系统实现

3.1规划通信数据

各站通信数据的位数据如表1-表3所示。这些数据位分别由各站PLC程序写入，全部数据为N:N网络所有站点共享。

表1　搬运机械手单元(0#站)数据位定义

表2　上料单元(1#站)数据位定义

表3　传送及分拣单元(2#站)数据位定义

3.2系统程序设计

系统包括1个主站和2个从站，构成N:N网络时将网络参数动态刷新模式选择为模式1。主站程序设计利用步进顺控程序进行设计，程序设计流程如图5所示。

上料站、分拣站的控制过程也使用步进顺控程序设计。各站的初始化子程序如下所述。

1)0#站(机械手搬运单元)的网络初始化子程序。

0 LD M8038;初始化启动控制

1 MOVK0D8176;0#站(机械手搬运单元)为主站

图5　程序设计流程

6 MOVK2D8177;从站总数为2

11MOVK1D8178;刷新模式1

16MOVK4D8179;通信重复次数设置

21MOVK5D8180;超时设置50ms

2)1#站(上料单元)的网络初始化子程序。

0 LDM8038;初始化启动控制

1 MOVK1D8176;1#站(上料单元)为1#从站

3)2#站(分拣单元)的网络初始化子程序。

0 LDM8038;初始化启动控制

1 MOVK2D8176;2#站(分拣单元)为2#从站

3.3系统测试

系统人机交互界面使用触摸屏GOT1155，组态开发环境使用GT Designer2。主站获取各个从站网络共享信息，然后在触摸屏上进行显示，同时通过主站将触摸屏上的信息发送至网络，从而对各个从站进行控制。

4　结束语

经过改造的光机电一体化系统集网络通信技术、计算机技术、自动控制技术、机械传动技术、传感器技术、人机交互技术、PLC及其功能模块应用技术等多种工业控制技术[9]，是对原有实训装置功能的一次较大提升，形成集理论知识、技术应用、技能实操、设计创新为一体的实训装置。利用N:N网络通信技术，将光机电一体化系统改造为3个相对独立的控制单元，突出了现代控制技术和网络通信技术在机电一体化生产线中的应用；增加FX0N-3A、旋转编码器等工业控制常见技术，提高了系统的实用性，有利于培养学生工程实践能力。系统已用于维修电工高级技能实训考核和全国职业院校技能大赛自动化生产线安装与调试项目校内赛前集训设备，有力地促进了电气自动化专业教学改革，提高了自动化技能人才培养的可持续性，收到良好的实训效果[10]。

[1]三菱公司.FX2N编程手册[M].日本:三菱株式会社，1998.

[2]陶权.基于Profibus-DP现场总线的自动化生产线实训装置改造[J].工业控制计算机，2010,23(2):27-28.

[3]方贵盛，孙平.充分利用光机电一体化实训装置平培养学生综合能力[J].实验室研究与探索，2011,30(1):195-195.

[4]胡健.基于N:N网络的电梯实训装置群控系统[J].实验室研究与探索，2009，28(12):238-238.

[5]许建凤，傅永锋.多模式PLC实训平台设计与研制[J].实验技术与管理，2012，29(11):66-68.

[6]赵春锋，陈国民，范小兰等.基于PLC的电工实习教学装置的研发[J].实验室研究与探索，2013，32(1):136-139.

[7]阮友德.PLC、变频器、触摸屏综合应用实训[M].北京:中国电力出版社，2009:193-199.

[8]农雨.车间设备的PLC网络群控[J].微计算机信息：测控自动化，2007，23(4):89-91.

[9]赵家文，王飚.基于实训任务的“柔性制造系统”[J].实验技术与管理，2012，29(3):129-131.

[10]贺刚.结合实践训练，自制PLC综合实训装置[J].湖南工业职业技术学院学报，2013(2):25-27.

Reform in Training Device of the Opto-Mechatronics System Based on N:N Network

CHEN Yanbin

(Center of training，Jieyang Vocational Technical College，Jieyang 522051，China )

In order to improve the practice teaching conditions of the electrical automation，and develop training devices to meet the school’s teaching practice，forming a set of basic experiments，verifying experiments，practice and training，the design innovation as one of the training devices.This paper introduces the basic idea of the reconstruction，reforming contents and the specific implementation process of transformation.Reform training devices of the opto-mechatronics system based on N:N network as the master station of manipulator.Feeding unit and sorting unit are treated as two slave stations.By means of the practice training using this device，the students can understand the PLC and its functional module application technology，electric control technology，inverter technology，sensor technology，touch screen and configuration technology industrial control technology，etc.

N:N network; programmable logic controller; opto-mechatronics system; training device

2014-11-30；修改日期: 2014-12-25

揭阳职业技术学院2011年科学研究项目(JYCKC1103)。

陈彦彬(1987-)，男，高级工程师，主要从事电子电工、自动化教学及科研方面的研究。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.035