魏海翔　 劉翠華

摘 要：可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試一體化課程設計是根據(jù)企業(yè)對高技能型人才的要求，并聯(lián)系企業(yè)生產(chǎn)實際要求實施的一門綜合應用型課程。該課程以企業(yè)實際工程為主線，以高新技術為支撐，以全新的一體化教學模式為載體，培養(yǎng)高素質(zhì)的技術技能型人才，促進技工教育和職業(yè)培訓教學改革和發(fā)展。本文從可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試課程總體設計、可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試課程實施詳細步驟及可編程控制器系統(tǒng)設計與調(diào)試課程實施項目等方面進行了闡述。

關鍵詞：可編程控制器 課程設計 一體化教學 技能人才

在當代先進制造業(yè)中，現(xiàn)代化生產(chǎn)都實現(xiàn)了自動化控制，這不但適應了社會經(jīng)濟的發(fā)展，急速減少了操作工人的數(shù)量，解決了我國當前工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中遇到的用工荒問題，而且大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，提升了我國工業(yè)的競爭力。為實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，現(xiàn)代工業(yè)都采用了可編程控制器進行系統(tǒng)控制，淘汰了以往以接觸器、繼電器等電氣元件為主的繼電器控制系統(tǒng)，繼電器控制系統(tǒng)的體積龐大、線路復雜、靈活性差、成本高、可靠性差、維修困難等缺點是無法克服的，不能適應當代快速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)需求。而以可編程控制器為核心的可編程序控制系統(tǒng)集三電（電控、電儀、電傳）為一體，具備自動化集成度高、技改靈活、運行穩(wěn)定可靠、擴展方便等優(yōu)點，因此，可編程控制器成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大技術支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一，成為工業(yè)4.0的主要技術之一。

中國要從制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆妵莆障冗M的現(xiàn)代工業(yè)自動化技術是必不可少的?，F(xiàn)代化生產(chǎn)中，可編程控制器控制技術已經(jīng)成為電氣技術人員和工科學生的基本要求，但在實際教學中發(fā)現(xiàn)能熟練掌握和運用可編程控制器控制技術的學生很少，這就要求有新的一體化教學來促使學生熟練掌握這門技術。

一、可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試課程總體設計

可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試一體化課程結合了企業(yè)實際工程，以工程技術人員完成整個項目的工作過程為教授的模板，以培養(yǎng)工程技術人員的方法培養(yǎng)學生，培養(yǎng)學生的學習能力、思考能力、動手能力、團隊合作能力等，以提升學生的綜合能力為主要目的，促使學生牢牢掌握先進的工業(yè)自動化技術，并能運用所學的技術技能解決實現(xiàn)工作中所遇到的問題。教師在可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試一體化課程中，除了向?qū)W生傳授先進的工業(yè)自動化技術之外，更重要的是指導學生如何進行正確的分析問題、解決問題、總結問題，為學生日后能成為高技能型人才打下堅實的基礎。從事這門課程教學的教師要有豐富企業(yè)經(jīng)驗和較強的教學能力，對教師也是一個提升。

可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試課程結合了多門課程：CAD制圖（畫電氣控制圖）、工具的使用及機械加工（電箱制作）、電力拖動（控制線路的設計及制作）、電工基礎（元件的選擇）、傳感器技術（傳感器的選擇及使用）、寫作（編寫技術文件）、PLC技術（控制系統(tǒng)的設計）、變頻器技術（控制系統(tǒng)的設計）、觸摸屏技術（控制系統(tǒng)的設計）、組態(tài)技術（控制系統(tǒng)的設計）等，是一門多學科的綜合應用，是學生畢業(yè)前的一次實戰(zhàn)。

可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試課程教學主要是以學生為主，教師為輔；學生獨立完成，教師監(jiān)控指導；貼近企業(yè)生產(chǎn)實戰(zhàn)，培養(yǎng)技能技術，培養(yǎng)技術員，以一畢業(yè)就能上手為目的。

可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試課程真實再現(xiàn)技術項目實施的全過程，從提出工藝要求→過程設計→元件選擇→電柜制作→程序編寫→安裝設備調(diào)試→技術資料整理→交設備、技術資料→驗收。通過該課程的學習，學生能充分體驗作為一個工控人的樂趣和存在的工作壓力，掌握進行企業(yè)技術改造的流程和工作方法。

可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試課程實行分組學習，項目連續(xù)實施，每組4人，團隊合作完成。

二、可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試課程實施詳細步驟

1.根據(jù)客戶的項目工藝要求，確定項目的電氣控制方案

根據(jù)客戶提供的項目工藝流程、工藝要求和完成的目標，仔細分析完成每個工藝流程步驟所要涉及的機械動作，以及要完成機械動作所需的電機、液壓、氣動等運行方式，提出控制方案，確定控制方式，撰寫項目設計任務書，在對工藝要求有疑問時要及時與客戶聯(lián)系溝通，確保設計方案的正確性。通過這個步驟，培養(yǎng)了學生的分析問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力和與人溝通的能力，也讓學生對所學的電氣控制技術進行一次總結，另外也讓學生學習到了正在企業(yè)中運用到的先進技術，學生也能掌握電氣控制系統(tǒng)設計理念。

2.根據(jù)設計任務書進行項目的設備選型

以項目控制系統(tǒng)設計方案為基礎，選擇控制所需的開關、按鈕、傳感器等系統(tǒng)輸入設備的型號和品牌，以及指示燈、中間繼電器等系統(tǒng)輸出設備的型號和品牌；根據(jù)輸入輸入信號類型和數(shù)量，控制對象，選擇可編程控制器型號，確定可編程控制器容量、I/O點數(shù)、特殊模塊等內(nèi)容；根據(jù)動力要求，通過計算力矩的大小，并根據(jù)動力運行模式，選擇電機類型如：伺服電機、變頻電機、普通電機等，并選擇電機的容量和型號。在這個環(huán)節(jié)，教師教授學生做預算、選型、計算力矩等方面的基礎知識，學生可以通過網(wǎng)絡調(diào)查、電氣設備市場咨詢等方式進行工程實踐，了解電氣設備的類型、質(zhì)量、價格等方面的知識，掌握如何做預算、如何選型、如何計算力矩等工程技術人員必備的知識，為自己擁有設計能力打下基礎。

3.設計項目的電氣電路圖

根據(jù)項目控制系統(tǒng)設計方案和設備的選型進行項目電氣電路設計。首先分配可編程控制器的I/O點，畫出I/O分配表，以可編程控制器的核心，設計外圍電路設計，并轉(zhuǎn)化為電氣原理圖、接線圖。在這部分，學生對電氣電路圖不但要能看得懂，還得深刻理解，掌握電氣電路圖的特點和一般規(guī)律，以及電氣制圖的方法和電氣元件標識及繪制，學會使用CAD進行電氣電路圖的設計，另外也能進行電氣設備布置圖、接線圖的設計。

4.裝配電氣硬件

根據(jù)項目電氣器件布置圖、接線圖，進行控制柜和操作臺的制作。在這個過程中，教師傳授機械加工、電氣硬件裝配的經(jīng)驗和方法，并傳授世界技能大賽機電一體化項目裝配工藝要求，讓學生開闊視野，了解國際技能標準并掌握。學生經(jīng)過這個過程的訓練，要能進行電氣硬件的設計和現(xiàn)場施工，掌握機械加工方法，如機械工具的使用、鈑金加工、機床使用等，并具有機械裝配的能力；根據(jù)接線圖按世界技能裝配工藝標準進行現(xiàn)場接線，包括導線的使用、冷壓端子的壓制、線路的連接等方面內(nèi)容，并進行詳細檢查線路連接的正確性。

5.項目程序設計

根據(jù)項目控制系統(tǒng)設計方案進行程序設計，結合項目的工藝過程選擇適合的編程方法，比如是使用經(jīng)驗法編程方法，還是用步進編程方法。編寫的程序以要滿足系統(tǒng)控制要求為主線，分別編寫實現(xiàn)各部分控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統(tǒng)整體功能。教師結合世界技能大賽機電一體化項目，講解在企業(yè)工程項目中編程要注意的內(nèi)容：安全保護措施的設計、人機對話的設計、程序相互保護設計、優(yōu)化設計等。學生通過編寫具體的工程項目，有了實際工程程序設計的經(jīng)驗，學與用不再脫節(jié)，學生通過學習編程設計，掌握工程編程設計技巧，不會覺得工程程序設計高深莫測，樹立起日后從事技術工作的信心。

6.項目程序的模擬調(diào)試

項目程序設計完成后，還要進行模擬調(diào)試，模擬工程項目現(xiàn)場運行過程，給程序運行提供運行信號，觀察程序運行的結果是否符合項目要求，確保程序的正確性。學生通過模擬調(diào)試掌握二種模擬調(diào)試的方法：硬件模擬法、軟件模擬法。學生可以通過使用按鈕、信號發(fā)生器等硬件設備模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號連到PLC系統(tǒng)的輸入端，操作輸入信號觀察輸出信號是否正確，來檢測程序的正確性。學生也可以編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，通過軟件的監(jiān)控功能來判斷程序的正確性。

7.聯(lián)機調(diào)試

程序模擬調(diào)試完成后，把該程序應用到工程項目中。調(diào)試過程應循序漸進方式，從PLC只連接輸入設備、再連接輸出設備、再接上實際負載等逐步進行調(diào)試。不符合設計要求的，就對硬件或程序做出相應的調(diào)整。另外，根據(jù)實現(xiàn)情況進行程序和機械優(yōu)化，在安全可靠的前提下，盡可能地提高設備工作效率和減小能耗。全部調(diào)試完畢后，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改，保存程序，防止丟失。在調(diào)試中，學生會發(fā)現(xiàn)很多問題，教師只是起引導作用，培養(yǎng)學生獨立解決問題的能力。

8.整理和編寫技術文件

項目設計、安裝、編程、調(diào)試完后，要進行技術文件編寫和整理，把使用說明書、技術說明書、電氣電路圖、線路接線圖、電氣元件明細表、PLC程序等交給客戶。教師在這個環(huán)節(jié)要教授技術文件撰寫技能。學生通過這個環(huán)節(jié)，既掌握了技術文件的撰寫，同時也提高了他們的寫作能力，為他們?nèi)蘸髮懽髡撐拇蛳禄A。

三、可編程控制器系統(tǒng)設計與調(diào)試課程實施項目

以項目—退火爐傳輸輥道PLC控制系統(tǒng)設計為例。

傳輸輥道是在生產(chǎn)企業(yè)中最常見、使用最廣的設備之一；它用來傳送物料，節(jié)省人力、提高生產(chǎn)效率；傳輸系統(tǒng)即可實行簡單控制，也可實施復雜的全自動控制。該項目可根據(jù)學生對知識的掌握程度設置難易度，但都可實際運用在生產(chǎn)中，使學生掌握生產(chǎn)工藝和電氣設備設計技巧。

設計任務書內(nèi)容為：

1.設計題目

退火爐物料輸送輥道PLC控制系統(tǒng)設計

2.設計要求

（1）設計基本要求。

①退火爐物料輸送輥道控制主線路由一臺1.5kW的Y系列三相交流異步電機及其控制元件組成。

②爐門的升降和輥道的運行之間的配合和聯(lián)鎖必須符合工藝要求。

③控制系統(tǒng)應能滿足全自動循環(huán)加工工藝和手動調(diào)整工藝的需求。

④輸送輥道按順序一個物料進入退火爐，滿足一定條件后，再把物料輸送出退火爐，完成了一次輸送任務。再接著第二次工作。

⑤本系統(tǒng)主電路供電系統(tǒng)電壓為交流380V、控制電路為交流220V、PLC控制電路為直流24V、指示燈為直流24V。

⑥進行系統(tǒng)設計時，要注意安全措施設計、硬件聯(lián)鎖設計、電壓等級設計、PLC程序聯(lián)鎖設計等方面。

（2）技術改造要求（可任意選擇其中的一項或多項）。

①在不同的區(qū)域?qū)嵤┒喽巫冾l速度控制。

②根據(jù)爐溫實施自動控制。

③使用觸摸屏實行人機對話。

④實行電腦監(jiān)控。

（3）設計技術參數(shù)。

①輥道電機：Y112M-1.5 1.5kW 1440r/min 2.2A 380V

②爐門升降電機：Y112M-1.5 1.5kW 1440r/min 2.2A 380V

（4）設計內(nèi)容。

①根據(jù)退火爐物料輸送輥道運行工藝和控制流程設計功能圖表。

②根據(jù)設計要求，選擇控制方案。

③進行PLC選型，設計PLC硬件系統(tǒng)，畫出相應的PLC接線圖。

④選擇PLC控制系統(tǒng)元件，并列出元件明細清單。

⑤控制柜的設計及外圍元件的設計。

⑥設計PLC控制梯形圖。

⑦編寫設計說明書。

（5）所需元件。

①三菱PLC：FX2N-48MR-001

②三菱溫度模塊：FX2N-4AD-TC

③熱電偶：K型

④三菱變頻器：FR-D740-3.7K-CHT

⑤三菱觸摸屏：GT1100-Q-C

⑥電箱：800X800X500（底板、面板可更換）

⑦按鈕開關、指示燈、行程開關、光電開關、接近開關

⑧220V交流接觸器、24V直流中間繼電器、DC24V電源

⑨控制導線、電纜、線號管、線槽、卡軌

（6）所需工具。

①電鉆、開孔器、絲錐、鉆頭

②萬用表、電工工具等

四、小結

可編程控制器控制系統(tǒng)設計與調(diào)試一體化課程是通過學生自己動手完成工程實例的一門課程，該課程不但提高了學生的學習興趣，同時提高了學生的電氣自動化技術和技能，而且使學生深刻領悟和掌握了世界技能大賽機電一體化項目的精髓：安全、可靠、高效、節(jié)省，更重要的是學生學會了日后從事技術工作的工作方法。

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（作者單位：魏海翔，中山市技師學院、華南理工大學；劉翠華，中山市黃圃鎮(zhèn)科委）