开放式PLC 控制实验实训装置设计与研究*

王晓娟，赵金金

（内蒙古电子信息职业技术学院电子与自动化学院，呼和浩特 010070）

1 引言

随着我国信息化和工业化技术的深入融合，“中国制造”也逐步在向“中国智造”转换，使得社会对工控自动化专业的技术人才需求也在不断发生变化[1]。对于各大高职院校而言，培养自动化人才的规格也必须与时俱进，不仅需要掌握基本的电气控制技术，同时需要掌握现代化的通用自动控制器（即可编程控制器，简称PLC）的控制系统开发。在这样特定的要求下，各大高职院校对于电气自动化人才培养配套的实验实训装置也需同步进行更新[2]。现有实训设备大多为封闭式集成电气设备，集成电气设备功能单一，缺少采集各种信号的传感器装置，无法满足信号检测控制需求。同时，过于强调模拟性，实验结果以验证性为主，与企业实际生产差距较大，且产品设计模块化，难以实现实训装置在电气设备安装、接线、调试方面的应用和技能培养，产品精度较低、兼容性较差。鉴于上述存在问题，以往全封闭式的PLC 教学实验装置结构亟需改进。本研究综合工业现场应用的通用对象与实用案例，设计一套开放式PLC 综合实验实训装置，以因应未来实训设备的发展趋势。

2 实训装置设计思路

PLC 控制系统实训装置具有完全开放、安全性高等特点。它改变了传统封闭式实验箱的构建方式，采用了器件外露、端子接线的方式，符合现代工业控制设计标准[3]。实训装置的设计须体现科学合理性，使得对元器件的认知、选择、检测更加直观，便于安装、调试及检修等任务的完成[4-5]。装置设计技术路线如图1 所示，包含构架设计、元器件布局设计、虚拟仿真、任务测试、实物安装调试等环节。装置当中的电气设计及布局皆以相关的国家电气设备安全技术规范为标准。

图1 装置设计技术路线图

实训装置的完全开放性是设计的关键。装置整体布局图如图2 所示，包括电源系统、可编程控制器PLC、触摸屏、开关量输入输出设备、传感器、电机控制模块、变频器、被控对象机械手以及上位机等部分。通过硬件装置的构建，PLC、触摸屏、电机控制模块等可以根据学习者的学习需求选择不同品牌的设备进行实验。

图2 装置整体布局图

开关量输入设备、传感检测等元器件都选用工业级标准传感器，以满足模拟应用的普遍性需求。除了执行机构之外，各个模块的元器件都挂靠在网孔板上，确保实训装置的整体构建布局合理，符合电气控制的标准和布局原则。

3 装置具体设计

3.1 可编程控制器PLC

选用西门子S7-200 系列PLC 作为核心控制器。这种PLC 具有高度的可靠性和稳定性，适用于各种工业控制场合[6]。在实际调试中，也可以替换为其他品牌的PLC，以满足不同客户的需求。在选择PLC 时，一个关键考虑是要具备高速脉冲发生器，以实现对伺服电机和步进电机控制，实现高精度的位置控制和速度控制，从而提高整个装置的稳定性和性能[7-8]。

为便于编程和操作，PLC 应具备相应外围设备连接端口，用来连接各种输入输出设备、传感器和执行器等。PLC 还应具备操作终端接口，连接人机界面（HMI）设备，实现更加直观和便捷的操作方式。

3.2 输入模块设计

输入模块包含开关量输入输出设备。例如：系统工作必需的启动、停止、急停等按钮，以及开关和行程开关等。传感器包含位置检测限位传感器、物料检测光电传感器等。输入端接线示意图如图3 所示。

图3 PLC 输入端接线示意图

输入端各元器件采用直流24V 标准电压，也可采用自带24V 电源。传感器线选择三线制，包含电源正反极及信号线；信号线按分配表进行连接。各元器件选择均需按实际工程标准进行，合理设置走线布局；通过插拔式端子板接入PLC 输入端。在实际应用中，可根据实际项目要求，自行选择相应器件，按电气控制图绘制标准接线图，最终完成线路连接及调试。

3.3 输出模块设计

输出模块包含电机控制模块、继电器、电磁阀、步进驱动器等器件，同时也包含变频器模块，示意图如图4 所示。各部件均独立挂靠于网孔板，不加封闭外壳，便于观察器件的工作过程，并对工作过程进行故障的检测和排除。在实际应用过程中可根据需求选择相应部件进行项目设计实施。各输出负载选用标准电气元件，如各负载额定电压不同，则应按公共端1L、2L、3L 分类设计安装，确保输出能正常工作。

图4 PLC 输出端接线示意图

3.4 执行机构

执行结构为装置控制对象，基于装置开放性，选取物料传送装置、物料加工、物料装配、机械手装置、运料小车等典型的控制对象，作为执行机构单元。每一套装置都是一个独立控制系统，通过实训装置设计，将气动技术、传感技术、通信技术、组态技术融入装置项目，增强装置的综合性及实用性。

4 仿真调试

为节约设备制造成本，增强设备运行可靠性，项目采用虚实结合方法。在硬件装配前，在仿真系统中对项目硬件进行模拟装配调试，并对项目任务进行程序设计及仿真测试，确保在系统能正常运行条件下，购置相应器件进行系统装配，并结合实际情况完成装配及项目任务调试。

系统模拟调试包含元器件选择、检测、元器件布局、系统模块布局、系统安装、项目测试。在虚拟环境下完成装置调试，既节约成本，又发挥了设计装置的灵活性，有助于达到最优硬件系统设计。系统仿真案例生产线分拣系统布局如图5 所示。

图5 实训装置虚拟仿真示意图

本案例程序设计采用以转换条件为中心的顺序控制设计法，部分调试程序如图6 所示。经项目测试和程序调试可知，装置硬件设计及项目程序设计能按控制要求完成相应任务，在实际教学当中达到了对安装、运行、调试、故障排除等技能的训练目的。

图6 分拣系统案例的部分调试程序

5 结束语

PLC 控制系统开放式实训装置的设计主要是针对封闭实训装置中存在的不足，通过开放式硬件系统构建，基于企业应用项目内容设计，为使用者提供了一个与企业实际操作模式接轨的实践操作平台，助力于使用者学习和创新，切实提高电气控制和PLC 控制的实践技能在装置上的综合应用，在高职院校工控类专业设备建设中具有一定的推广价值。