罗克韦尔PLC在电气控制实践教学改革中的应用

赵建峰，高世平，刘 慧

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

由于信息、网络等技术发展迅猛，知识与技术的更新换代十分频繁，而企业急需的是动手能力强，能解决实际问题的信息化、智能化学科交叉型应用人才，因此人才培养的目标定位非常重要。在课程体系建立方面一定要兼顾基础知识与最先进科技知识的结合，即要扎牢基础的根基又要掌握最先进科技的发展成果与应用[1]。

《电气控制与PLC》是自动化专业一门综合性较强的专业课程，其涵盖了可编程序控制技术、传感器技术、气动技术和触摸屏技术等自动化技术的应用。目前该课程主要是理论教学、PLC课程设计和电气控制实习。期中各一周的PLC课程设计和电气控制实习在时空上独立开来，理论与实践分离，缺少紧密联系。因此，采用最新型的罗克韦尔自动化的系列PLC、变频器和触摸屏产品，升级改造现有的实验台，将机床电气安装、布线、PLC应用、变频器和触摸屏自动化控制糅合在一起，更能满足社会对具有创新能力和实践能力的复合型自动化高级人才的需求，提高应用型本科院校毕业生的就业能力。

项目教学，又称基于项目的学习，包括内容、情境、过程、评价四个要素。项目教学强调以工程实际为背景，打破学科知识的逻辑约束，按照工程需要的技术逻辑，建构教学内容[2]。电气控制实践教学项目法是一种以学生为主体、智能制造的加工单元数控机床为工程背景，教师为主导，以各项目内容为主线，以任务目标为驱动，从而实现分析问题、方案设计、项目实施及最终评价的教学方法。学生在教师的指导下，两人一组，依照各个项目目标，完成独立设计、自主施工、现场调试及故障分析的全过程。按照企业标准，规范化设计与出图、合理布局、精心施工，与企业要求无缝对接。该项目教学法，极大提高了学生学习的积极性和主动性，增强了分析问题和解决问题的能力，理论与实践充分结合，学以致用，激发了创新意识的培养。

1 电气控制实习课程目标

该课程为校内生产实习，是自动化专业综合性的电气实习，综合了之前所学的专业基础课、专业课等知识。通过实习，培养学生的电气设计和安装与调试动手能力，使他们所学的理论知识与实践相结合，并使所学的课程知识更完善、更扎实。该课程的教学目标主要有：

（1）在数控机床电气安装与调试过程中，能够利用所掌握的工程基础和自动化专业知识，运用其理论和方法解决自动化工程生产线、数控机床电气等有关的复杂工程问题。

（2）利用所掌握的机床电气基础知识，设计与绘制典型机床电气图；在此基础上，设计数控机床常用电气原理图，完善数控机床的自动化电气系统解决方案。

（3）根据设计方案，进行机床电器板布局和走线设计；熟练利用电气工具，完成机床电气安装；利用万用表等工具完成电气系统检测与调试；实现电动机在工频状态下的启动、停止、正反转以及两台电机的顺启逆停控制。

（4）在典型电气安装与调试的基础上，完成罗克韦尔系列PLC、变频器和触摸屏的电气设计与安装；完成PLC与变频器的软件设计与调试，实现电动机的变频速度控制；完成触摸屏的界面设计与速度调试。

（5）能合理安排时间，按时完成电气设计和安装调试任务；能够在团队中承担相应的工作，并能与其它成员协同合作。

（6）在实习过程中，能够就机床电气和PLC技术等问题与同学、老师及社会公众进行有效沟通和交流，绘制电气原理图，编写PLC程序图，撰写实习报告，完成调试之后的综合答辩。

从设计、安装、编程到调试一体化的实习过程中，把理论与实践有机地结合起来。并通过各个项目的依次、递进的设计与实现，使学生犹如置身于企业的生产制造过程中，使学生更有成就感和责任感，更能切身体会到学习对其自身和社会企业发展的重要意义，以提高学习的自觉性。

2 项目教学体系的构建

南京工程学院自动化数控技术应用中心，拥有自制典型机床电气安装、调试实验台24套，主要实现电动机在工频状态下的启动、停止、正反转以及两台电机的顺启逆停等控制。主要是针对自动化和数控专业一周的教学实习。

2017年，我校与罗克韦尔自动化校企合作实验室落地，作为其中智能制造的子项目，对24套实验台升级改造。

由于实验台增加了新的PLC设备和教学内容，2018年采用了新的教学大纲和实习计划，由原来的一周改为两周实习，同时服务于自动化、数控和机器人专业的实训教学。

3 项目教学的内容与实现

3.1 项目教学计划

由于学生在实训前已经进行过相应课程的理论学习和实验训练，项目教学相对课程实验要有相应的提高，即工程型、实践性更强，更能贴近企业生产要求。教学改革后的实习计划如表1所示。

表1 实习计划Tab.1 Internship program

3.2 项目教学具体内容

根据教学目标和实习计划，整个教学过程分四个项目进行，即典型机床电气设计、施工与调试；PLC硬件连接与软件编程；变频器编程与调试；触摸屏界面设计与速度调试；最后项目验收与答辩。每一个项目环节都配备有专业指导老师进行实践指导，各个项目环节既相互联系，又层层提高，使其成为一个有机的整体。学生通过不断修改整体实训方案，反复操作，对全过程有了较全面的理解和掌握，从而提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

3.2.1 典型机床电气设计、施工与调试

该项目是实验台升级前的主要实习内容，也是后续项目的硬件基础和设计平台。该项目主要分三个阶段完成：

（1）根据实习任务，设计电动机工频速度控制原理图、施工图。前期，学生选修过机床电气设计和solidworks2014 electric软件的练习，在此基础上，根据课题要求正确设计、绘制原理图，合理布置元器件，规范走线设计；生成连接线编号?、零部件信息及项目图纸。

（2）正确使用常用电工工具，据图施工。依据图纸和端子号标注，制作接线端子号码管，端子号的使用要规范、正确并与图纸严格一致；合理、规范布线，强电380V采用红、黄、蓝三色线走线，信号线采用绿色、黑色区分，便于安全检查。正确连接交流接触器、中间继电器、变压器和指示灯等设备。

（3）正确使用万用表等检测工具，依图查线。由于实验台引入的是380V高压线，安全检查非常重要，其中重点检查变压器原、副边的接线，不能接反；开关电源24V的连接，输入与输出不能接反；24V中间继电器线圈不能接入220V高压，否则会烧掉元件或炸裂；按钮和信号灯的连接。总之，重点检查电路的短路、断路、380V和220V强电电压，以及电器元件强弱电的混接。每位同学都要认真检查线路2遍以上，才能提请指导教师检查和通电。

（4）实验台通电。线路检查完成后，必须在教师的指导和陪同下一起上电。依照图纸和上电顺序，依次合上各路开关，并用万用表测量各路电压；仔细观察实验台设备状态，通过听、闻、嗅等常用检测方法，对可能发生的紧急情况果断处理，并切断电源。在检查过程中，同学之间要相互配合，增强协调能力，提高检测和故障分析能力。

（5）电动机工频速度调试。线路检查无误后，通过启动和停止按钮，实现电机的启动、停止、正反转等功能控制；实现两台电机的顺序启动逆序停止控制。

其中，调试失败的主要原因在于中间继电器的常开、常闭触点逻辑混乱，使电动机的自锁、互锁功能无法实现，而这在前期的线路安全检查中也是很难发现的。所以，实习过程中，学生必须要正确绘制原理图、出图，依图施工、依图检查、依图上电和调试，循循渐进并环环相扣。指导教师也要严格把关，一个环节有问题，就不能进行后序操作，并计入平时成绩或终止实习，以保证实习的人身绝对安全性、严谨性和规范化操作。

3.2.2 PLC硬件连接与软件编程

罗克韦尔最新款的Micro850 PLC，提供标准的24点输入和48点输出，并具有100kHz的高速计数器（HSC）输入，便于电动机编码器的速度检测；提供USB编程端口、非隔离串口（用于RS-232和RS-485通信）和以太网接口，便于编程与调试；一体化编程组态软件 CCW，即可实现PLC梯形图编程、调试，又可以实现 Micro850控制器、交流变频器和图形终端触摸屏等系列机器设备的安装、组态、连接和维护工作。

首先，学生在机房熟悉CCW编程软件和绘制Micro850控制器及相关设备的接线图；利用Ethernet/IP网络协议，设置控制器、变频器和触摸屏的通信参数和IP地址。然后，在实验台上依图施工，并通过路由器进行网络的物理连线。最后，下载PLC程序和参数，调试各设备之间联网成功。

3.2.3 变频器编程与调试

变频器调试主要分为手动调试和变频调试。

（1）手动调试。一是依照说明书，利用变频器的控制面板，设置相应参数，实现电动机的启动、停止、正反转和速度控制。这是常规做法，比较繁琐。二是利用CCW软件和网络通信，利用软件的变频器参数表格，直接设置相应参数，实时有效、即时反馈响应值，非常简单、方便。

（2）自动变频调试。编写相应的PLC和变频器程序，在程序中设置相应的速度参数，如IP地址、参考速度、加速时间和减速时间等[3]。这些参数可以在电动机运行状态在线监控，其中电动机频率参考电压直接通过EtherNet/IP网络写入变频器相应存储器，并由变频器转换为三相电压驱动电动机旋转，以实现速度变频控制。

3.2.4 触摸屏界面设计与调试

在项目三中可以通过按钮和指示灯实现电动机单一速度的正、反、停控制，但在脱机状态下无法进行转速的显示与修改。所以，图形终端触摸屏在流水线上非常重要，是人机交互的重要工具。

在前期项目的基础上，设计触摸屏的界面如图1所示。对设定好的标签，正确建立与PLC地址和参数的关联，以保证动作安全、有效。修改相应的PLC程序，设置触摸屏IP地址，通过Ethernet/IP网络联机调试。

图1 触摸屏速度控制界面设计Fig.1 Speed control design of touch screen

该项目容易出现的问题主要有两点：一是标签和相应的参数比较多，容易关联错误，造成触摸屏的功能无效或逻辑错误。二是PLC、触摸屏和变频器之间的网络通信有时会比较麻烦，容易找不到相应的设备或IP地址丢失，但一旦设定好就很稳定。这些问题主要和学生的操作熟练度有关，细心操作和多次训练，就能发现自己的粗心和不足，从而培养他们更严谨和更科学的学习态度。

所有项目完成后，学生答辩和撰写实习报告。其中，重点说明设计、施工和调试过程中出现的问题，故障原因，以及如何解决问题的方法。在实习过程中，学生在充分理解并完成指定科目的基础上，设计内容是否有所外延，设计方法和实施手段是否创新或更高效，是教师引导和综合评价的重要方向。

4 结束语

电气控制实习是一个集多门课程知识为一体的综合性实习，实践性很强。通过电动机工频、变频自动控制设计，电气图绘制，常用电气设备的安装、调试，罗克韦尔自动化设备的一体化应用，学生对电气自动化有了一个全面理解和掌握。项目教学法不仅培养了学生分析问题、解决问题的能力，提高了学生对电气技术实际应用的动手能力和创新能力，而且培养了学生严谨、细致、团队协作的工作作风，使之更适应现代社会人才的需求。