韓江桂 黃家寧

摘 要 文章介紹了基于PLC的機(jī)電一體化系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，論證了其工作原理、組成部分與功能，說(shuō)明了軟、硬件開(kāi)發(fā)及網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)現(xiàn)，以交通信號(hào)燈系統(tǒng)為例闡明了教學(xué)效果，對(duì)于打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 PLC 機(jī)電一體化 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械、微電子、信息和控制等技術(shù)的有機(jī)融合與相互滲透，涉及機(jī)械、電子、傳感檢測(cè)、信號(hào)處理、伺服驅(qū)動(dòng)、軟件編程等相關(guān)知識(shí)，是多學(xué)科交叉綜合的技術(shù)密集型課程。[1]該課程由于涉及多個(gè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的灌輸教學(xué)模式已經(jīng)適應(yīng)不了課程本身的發(fā)展，因而急需探索新的教學(xué)方法和模式。[2]實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑，是教學(xué)工作的重要組成。[3]實(shí)驗(yàn)教學(xué)又是增加感性認(rèn)識(shí)、鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力和應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)。機(jī)電一體化課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)較為零散，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也相對(duì)獨(dú)立，不能滿足“一體化”要求。零散的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程難以滿足知識(shí)系統(tǒng)化的目的，同時(shí)弱化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的作用。[4]PLC技術(shù)即可編程邏輯控制器，又稱(chēng)PLC電頻控制技術(shù)，隨著當(dāng)今工業(yè)水平的快速發(fā)展，PLC技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，其具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)靈活，便于應(yīng)用，因此備受設(shè)計(jì)人員青睞。[5，6]因而本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于PLC的機(jī)電一體化系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，讓學(xué)生自主開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電一體化的創(chuàng)新思維方式和實(shí)踐能力具有深遠(yuǎn)的意義和實(shí)用價(jià)值。

1 教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則為：為學(xué)生提供一個(gè)自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可自行學(xué)習(xí)與考核，靈活便捷。實(shí)踐平臺(tái)由主體部分、開(kāi)關(guān)量元器件、模擬量元器件、輔助工具、電源部分以及其他元件組成，各組成部分及其作用如圖1所示。

實(shí)踐平臺(tái)的主體部分由可編程邏輯控制器（PLC）[7，8]、微機(jī)、STEP 7-MicroWIN V4.0 SP9軟件和PLC編程電纜組成。

PLC：型號(hào)為西門(mén)子S7—200 eCPU224 AC/DC/RLY，是機(jī)電系統(tǒng)中信息的運(yùn)算和處理的核心，可以通過(guò)改變PLC的程序來(lái)控制機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的功能；

微機(jī)：型號(hào)為超越E760，是PLC編程、編譯、調(diào)試的主要場(chǎng)所；

STEP 7-MicroWIN V4.0 SP9：是編寫(xiě)西門(mén)子PLC[9，10]運(yùn)行程序的主要軟件，所有程序的編寫(xiě)、編譯、調(diào)試在該軟件上完成；

PLC編程電纜：型號(hào)為USB—PPI RS485，其作用是將PLC端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電腦端所需要的格式的數(shù)據(jù)。

開(kāi)關(guān)量部分主要由自復(fù)位式按鈕開(kāi)關(guān)、自鎖式按鈕開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、空氣開(kāi)關(guān)、船形開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、斷路器、交流接觸器、熱繼電器等元件組成。模擬量部分主要由伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、傳感器，三相異步電機(jī)等元件組成。電源部分主要提供三種電壓的電源，分別為380V，220V和24V。輔助工具主要包括剝線鉗、萬(wàn)用表、焊錫絲、電烙鐵、游標(biāo)卡尺、尖嘴鉗等。

2 交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 方案設(shè)計(jì)

應(yīng)用上述教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)可以開(kāi)展多種實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)作為典型實(shí)例檢驗(yàn)其教學(xué)效果，交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)原理簡(jiǎn)單，易于理解且貼近生活實(shí)際。

交通信號(hào)燈的工作模式分為自動(dòng)控制、手動(dòng)控制，遇到突發(fā)情況時(shí)可以手動(dòng)靈活控制交通燈而不至于影響交通。自動(dòng)控制下的交通信號(hào)燈為PLC控制交通信號(hào)燈[11]的運(yùn)轉(zhuǎn)，手動(dòng)控制為按鈕開(kāi)關(guān)控制交通信號(hào)燈。手動(dòng)控制時(shí)可以出現(xiàn)東西方向與南北方向都亮黃燈、紅燈的情況，但不能出現(xiàn)東西和南北都亮綠燈的情況，因此，東西方向的綠燈與南北方向的綠燈要互鎖。根據(jù)以上要求選擇的器材見(jiàn)表1。

2.2 電路原理圖設(shè)計(jì)

交通信號(hào)燈分為自動(dòng)手動(dòng)兩種工作模式，因而必須要至少兩組獨(dú)立的電路。手動(dòng)工作時(shí)必須保證不同方向的綠燈不能同時(shí)亮，所以不同方向的綠燈必須為互鎖，同一方向的兩個(gè)相同顏色的指示燈為并聯(lián)。設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2所示。

2.3 程序設(shè)計(jì)

當(dāng)S0.0閉合時(shí)，交通信號(hào)燈處于自動(dòng)工作模式，此時(shí)東西方向亮紅燈，南北方向亮綠燈。25秒后，南北方向綠燈熄滅，黃燈亮。5秒后，南北方向黃燈熄滅，紅燈亮，東西方向紅燈熄滅，綠燈亮。25秒后，東西方向綠燈熄滅，黃燈亮。5秒后，東西方向黃燈熄滅，紅燈亮，南北方向紅燈熄滅，綠燈亮。之后以此為周期循環(huán)。當(dāng)把急停按下后，PLC輸出觸點(diǎn)全部斷電，所有指示燈熄滅，再把S0.0斷開(kāi)，此時(shí)切換成手動(dòng)模式。手動(dòng)模式時(shí)，東西方向綠燈與南北方向綠燈要互鎖。

當(dāng)把急停開(kāi)關(guān)恢復(fù)到初始狀態(tài)，把S0.0切換為閉合時(shí)，手動(dòng)模式切換成自動(dòng)模式。所有同一方向的兩組指示燈均為并聯(lián)。各元器件控制信號(hào)見(jiàn)表2所示。

2.4 模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖3所示為交通信號(hào)燈外觀實(shí)物圖。元器件都固定在環(huán)氧板上，環(huán)氧板的正面為各元件的外表，背面是所有的連接線路。環(huán)氧板正面最上方是PLC，PLC下方是4組個(gè)指示燈，每組按從左到右綠黃紅的順序排列，指示燈所處的方向按上北下南，左西右東排列。

指示燈左邊從上往下依次為220V插座，自動(dòng)手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)和急停開(kāi)關(guān)。急停開(kāi)關(guān)右邊第一組綠黃紅按鈕為南北方向手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，第二組為東西方向手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)。

交通信號(hào)燈為自動(dòng)工作模式時(shí)，船形開(kāi)關(guān)為1狀態(tài)時(shí)，南北方向亮紅燈，東西方向亮綠燈。圖4（a）所示25秒后，東西方向綠燈熄滅，黃燈亮。圖4（b）所示5秒后，交通信號(hào)燈東西方向黃燈熄滅，紅燈亮，南北方向紅燈熄滅，綠燈亮。圖4（c）所示，25秒后，南北方向綠燈熄滅，黃燈亮，然后繼續(xù)循環(huán)。

3 結(jié)論

（1）交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、特征鮮明，貼近實(shí)際，便于學(xué)習(xí)人員掌握與理解，教學(xué)訓(xùn)練效果顯著；通過(guò)交通信號(hào)燈的開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了所建立的機(jī)電一體化系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)的實(shí)用性。

（2）機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)是一門(mén)理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的工程專(zhuān)業(yè)，要求學(xué)生不但要掌握好理論知識(shí)，還要有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。本文建立的教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)靈活自主性強(qiáng)，學(xué)習(xí)人員可以自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，在機(jī)電一體化實(shí)踐環(huán)節(jié)中必將發(fā)揮重要的作用，取得良好的效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 石復(fù)習(xí)，王美麗.“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程要點(diǎn)的動(dòng)畫(huà)呈現(xiàn)方法探索[J].新課程研究（中旬刊），2016（12）：65-67.

[2] 俞慶，何亞峰，劉春節(jié)等.基于研究性學(xué)習(xí)的“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革[J].裝備制造技術(shù)，2016（8）：257-259.

[3] 許焰，朱宗銘，梁亮等.“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程實(shí)驗(yàn)分級(jí)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及考核模式改革[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（30）：149-152.

[4] 李琦，王基.《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2010（1）：100-101.

[5] 向曉漢，黎雪芬，系茂龍.西門(mén)子PLC完全精通教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.6.

[6] 劉振全，王漢芝，楊坤.西門(mén)子PLC編程技術(shù)及應(yīng)用案例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.10.

[7] 姜新橋，石建華.PLC 應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[8] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.電氣制圖及圖形符號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

[9] 易泓可.電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與范例（2 版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[10] 廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用（2 版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[11] 郁漢琪.電氣控制與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)（2 版）[M].南京：東南大學(xué)出版社，2009.