基于PLC机电一体化的系统实践平台设计与实现

韩江桂 黄家宁

摘 要 文章介绍了基于PLC的机电一体化系统教学实践平台，论证了其工作原理、组成部分与功能，说明了软、硬件开发及网络通讯的实现，以交通信号灯系统为例阐明了教学效果，对于打破传统实验教学模式实现机电一体化创新实践环节具有良好的应用前景。

关键词 PLC 机电一体化 教学实践

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.05.027

Abstract This paper introduces the teaching practice platform of Mechatronics System Based on PLC， demonstrates its working principle， components and functions， illustrates the development of soft and hardware and the realization of network communication. The teaching effect is illustrated by the traffic signal light system， and the innovation practice of mechanical and electrical integration is realized by breaking the traditional experimental teaching model. The link has a good application prospect.

Keywords PLC； Mechatronics； teaching practice

0 前言

机电一体化技术是机械、微电子、信息和控制等技术的有机融合与相互渗透，涉及机械、电子、传感检测、信号处理、伺服驱动、软件编程等相关知识，是多学科交叉综合的技术密集型课程。[1]该课程由于涉及多个领域，传统的灌输教学模式已经适应不了课程本身的发展，因而急需探索新的教学方法和模式。[2]实验教学是高等教育教学的一个重要环节，是培养学生实践能力的重要途径，是教学工作的重要组成。[3]实验教学又是增加感性认识、锻炼学生动手能力和应用能力的重要环节。机电一体化课程的实验教学较为零散，实验设备也相对独立，不能满足“一体化”要求。零散的实验教学课程难以满足知识系统化的目的，同时弱化了实验教学环节锻炼学生动手能力的作用。[4]PLC技术即可编程逻辑控制器，又称PLC电频控制技术，随着当今工业水平的快速发展，PLC技术已经广泛应用于多个行业，其具有较强的环境适应能力，系统构成相对灵活，便于应用，因此备受设计人员青睐。[5，6]因而本文设计开发了一套基于PLC的机电一体化系统教学实践平台，让学生自主开发实验项目，对培养学生机电一体化的创新思维方式和实践能力具有深远的意义和实用价值。

1 教学实践平台的设计

机电一体化系统教学实践平台的设计原则为：为学生提供一个自主设计开发平台，可自行学习与考核，灵活便捷。实践平台由主体部分、开关量元器件、模拟量元器件、辅助工具、电源部分以及其他元件组成，各组成部分及其作用如图1所示。

实践平台的主体部分由可编程逻辑控制器（PLC）[7，8]、微机、STEP 7-MicroWIN V4.0 SP9软件和PLC编程电缆组成。

PLC：型号为西门子S7—200 eCPU224 AC/DC/RLY，是机电系统中信息的运算和处理的核心，可以通过改变PLC的程序来控制机电系统实现不同的功能；

微机：型号为超越E760，是PLC编程、编译、调试的主要场所；

STEP 7-MicroWIN V4.0 SP9：是编写西门子PLC[9，10]运行程序的主要软件，所有程序的编写、编译、调试在该软件上完成；

PLC编程电缆：型号为USB—PPI RS485，其作用是将PLC端产生的数据转换为电脑端所需要的格式的数据。

开关量部分主要由自复位式按钮开关、自锁式按钮开关、急停开关、空气开关、船形开关、蜂鸣器、断路器、交流接触器、热继电器等元件组成。模拟量部分主要由伺服电机、步进电机、伺服驱动器、步进驱动器、传感器，三相异步电机等元件组成。电源部分主要提供三种电压的电源，分别为380V，220V和24V。辅助工具主要包括剥线钳、万用表、焊锡丝、电烙铁、游标卡尺、尖嘴钳等。

2 交通信号灯设计实例

2.1 方案设计

应用上述教學实践平台可以开展多种实验训练，交通信号灯设计作为典型实例检验其教学效果，交通信号灯设计开发原理简单，易于理解且贴近生活实际。

交通信号灯的工作模式分为自动控制、手动控制，遇到突发情况时可以手动灵活控制交通灯而不至于影响交通。自动控制下的交通信号灯为PLC控制交通信号灯[11]的运转，手动控制为按钮开关控制交通信号灯。手动控制时可以出现东西方向与南北方向都亮黄灯、红灯的情况，但不能出现东西和南北都亮绿灯的情况，因此，东西方向的绿灯与南北方向的绿灯要互锁。根据以上要求选择的器材见表1。

2.2 电路原理图设计

交通信号灯分为自动手动两种工作模式，因而必须要至少两组独立的电路。手动工作时必须保证不同方向的绿灯不能同时亮，所以不同方向的绿灯必须为互锁，同一方向的两个相同颜色的指示灯为并联。设计的电路原理图如图2所示。

2.3 程序设计

当S0.0闭合时，交通信号灯处于自动工作模式，此时东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯。25秒后，南北方向绿灯熄灭，黄灯亮。5秒后，南北方向黄灯熄灭，红灯亮，东西方向红灯熄灭，绿灯亮。25秒后，东西方向绿灯熄灭，黄灯亮。5秒后，东西方向黄灯熄灭，红灯亮，南北方向红灯熄灭，绿灯亮。之后以此为周期循环。当把急停按下后，PLC输出触点全部断电，所有指示灯熄灭，再把S0.0断开，此时切换成手动模式。手动模式时，东西方向绿灯与南北方向绿灯要互锁。

当把急停开关恢复到初始状态，把S0.0切换为闭合时，手动模式切换成自动模式。所有同一方向的两组指示灯均为并联。各元器件控制信号见表2所示。

2.4 模拟系统实现

图3所示为交通信号灯外观实物图。元器件都固定在环氧板上，环氧板的正面为各元件的外表，背面是所有的连接线路。环氧板正面最上方是PLC，PLC下方是4组个指示灯，每组按从左到右绿黄红的顺序排列，指示灯所处的方向按上北下南，左西右东排列。

指示灯左边从上往下依次为220V插座，自动手动切换开关和急停开关。急停开关右边第一组绿黄红按钮为南北方向手动控制开关，第二组为东西方向手动控制开关。

交通信号灯为自动工作模式时，船形开关为1状态时，南北方向亮红灯，东西方向亮绿灯。图4（a）所示25秒后，东西方向绿灯熄灭，黄灯亮。图4（b）所示5秒后，交通信号灯东西方向黄灯熄灭，红灯亮，南北方向红灯熄灭，绿灯亮。图4（c）所示，25秒后，南北方向绿灯熄灭，黄灯亮，然后继续循环。

3 结论

（1）交通信号灯的设计实验现象明显、特征鲜明，贴近实际，便于学习人员掌握与理解，教学训练效果显著；通过交通信号灯的开发实验，检验了所建立的机电一体化系统教学实践平台的实用性。

（2）机电一体化专业是一门理论与实践结合紧密的工程专业，要求学生不但要掌握好理论知识，还要有较强的动手能力和创新能力。本文建立的教学实践平台灵活自主性强，学习人员可以自行开发设计，在机电一体化实践环节中必将发挥重要的作用，取得良好的效益。

参考文献

[1] 石复习，王美丽.“机电一体化系统设计”课程要点的动画呈现方法探索[J].新课程研究（中旬刊），2016（12）：65-67.

[2] 俞庆，何亚峰，刘春节等.基于研究性学习的“机电一体化系统设计”课程教学改革[J].装备制造技术，2016（8）：257-259.

[3] 许焰，朱宗铭，梁亮等.“机电一体化系统设计”课程实验分级教学内容设计及考核模式改革[J].长沙大学学报，2016（30）：149-152.

[4] 李琦，王基.《机电一体化系统设计》课程教学改革与实践[J].高等教育研究学报，2010（1）：100-101.

[5] 向晓汉，黎雪芬，系茂龙.西门子PLC完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2017.6.

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[10] 廖常初.PLC基础及应用（2 版）[M].北京：机械工业出版社，2006.

[11] 郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术（2 版）[M].南京：东南大学出版社，2009.