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自动控制模块化实训装置的研制与应用
作者:李树雄 吕玉明出自:中国职业技术教育发布时间:2010年05月22日
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摘要:本文就当前高职院校自动化技术类专业实训教学的状况做了分析,并且对实训教学设备短缺现象进行了剖析,指出了当前实训教学设备不适宜教学的原因和存在的主要问题。在此基础上介绍了一种新颖、可操作性强的实训装置.对该装置的构成、结构特点及应用价值做了详细论述。
关键词:PLC;自动控制;实训装置;教学设备

    近年来我国制造业、加工业迅速发展,企业对自动化应用人才需求量不断上升,对人才的质量要求也越来越高。因此。对高职院校自动化技术类专业教学要求越来越高。然而。目前高职院校自动化技术类专业开设的相关专业课程,大多仍停留在理论教学层面上。由于实训教学设备的短缺,实训教学很难落实到实处。与自动控制技术紧密相关的可编程控制器(PLC)、变频器、步进电机、传感器、触摸屏、气动控制等重要技术几乎没有实训设备与之相配合。实训教学设备的缺乏,直接影响了人才的培养质量。为解决实训教学设备的短缺问题,我院成立了课题组,研制出一种适于自动化技术类专业的实训装置。该装置的方案论证、前期研制已经结束。已着手批量生产。本文期望通过对该装置的介绍。引起更多专家和教师关注实训教学设备。共同推进高职院校的发展。

一、本课题的研究意义
    实训教学是高职院校实践教学环节中一个重要组成部分,为理论教学所不能替代。实训教学对学生素质及能力培养具有极其重要的作用,是学生谋职就业的重要保证。既具有极强动手能力,又有一定理论知识的学生,才能够满足企业的要求。

    近年来高等职业教育明确提出了人才培养目标是高技能型人才。落实这一办学理念就要大力加强实践教学,重视专业技术、技能的培养。提高学生实际操作能力。目前在高职院校办学中加强实训基地建设已经受到重视,为学生提供一个充分体现职业性的实践场所,配备操作性强的实训设备,已成为衡量高等职业教育办学的重要标准,也是专业建设中重要的组成部分。本文所涉及的关于自动化实训设备的研究,既是在落实这~ 办学思想,也是通过实际来充实和完善这一办学理念。

二、当前自动控制实训教学设备的现状
    近年来我国一些教学设备生产企业已开发了一些以PLC为核心、以实践教学为目的的自动控制设备。但是,这些设备在教学中还存在一些问题。

    1.技术单一、涉及领域狭窄
    目前使用的实践性的自动控制教学设备,通常是根据某一自动控制系统,在满足基本教学要求下而仿制的。由于设备的针对性强,使得所涉及的技术领域狭窄,存在着技术单一的局限。比如一只机械手,它的基本功能就是抓紧、松开和旋转。因此,决定了所用电器类型有限,执行机构单一,控制方式固定,没有涉及更宽泛的技术如触摸屏技术、变频调速技术、气动控制技术以及组态监控技术等.不能帮助学生从更广泛的意义了解和认识工业自动化。

    2.实际操作机会有限
    目前使用的实训教学设备,一般结构固定,选用的电器类型固定、接线固定,不允许学生随意拆卸或组合,否则设备将无法正常工作。这样,学生在实训时不能真正动手操作,影响技能的提高。

    3.品种少、价格昂贵
    将一真实的自动控制系统按一定比例缩小,仿制成相同的小系统,会受到技术保密和专利保护的限制。因此。现在开发出来的品种非常有限。又由于仿真产品成本高,使得售价昂贵。

三、研制的实训装置的构成及应用
    1.实训装置的基本构成
    在一个有限大的平台(基板)上,集成若干种能够涵盖一般工业控制所必需的电气设备。将它们按照类型或工程上常用的组合方式构成不同的模块,在考虑控制要求、电磁干扰,操作方便以及一些布线的特殊要求下,将模块合理地固定在乎台上。平台通过安全连接插件直接与三相电源相接,并设置必要的保护电路,以保障操作者和设备的安全。该装置主要包括以下模块:PLC模块、传感器检测模块、继电-接触器控制模块、电机及控制模块、触摸屏、传送带模块、气动单元模块、电源模块等。

    传感器检测模块由电容、电感、颜色、光栅传感器、旋转编码器等组成。继电一接触器控制模块由三相四线断路器、熔断器、交流接触器、按钮、行程开关、指示灯等低压电器组成。电机及控制模块由三相交流电机和变频器及步进电机和驱动器组成。传送带模块由皮带传动机构、皮带运行自动校正装置、皮带松紧装置组成。气动单元模块由二联体带气压表、圆柱气缸、电磁阀、磁性开关等组成。电源模块采用开关型电源。向整个实训平台提供24V(5A)、±12V、+5V三种DCOUT。以上电器设备均采用端口开放形式,并设置接线端子,走线线槽。学生可以在这个集多项技术的平台上,通过动手操作进行硬件设计、软件设计、系统布线以及系统调试,实现多种形式的工业自动控制。实训装置的核心模块为PLC,在PLC 的协调和控制下完成系统控制。

    PLC接受输入信号,在编制好的程序控制下,对输入信号进行处理,并输出相应的信号。PLC的输出信号可以通过继电器或接触器直接控制电动机。也可以通过PLC发出的控制脉冲。经电机驱动器控制步进电动机,实现转速变化。或通过变频器平滑地改变电动机的转速。PLC的输入信号可以是开关信号。如按钮、行程开关、触摸屏及各种传感器信号。通过扩展A/D、D/A模块,PLC也可以接受和输出模拟信号。例如:接受以电压(O一5v)或电流(4—20m~)表示的压力、温度模拟信号控制空压机、水泵,用于冷库恒温制冷、纺织行业纱线烘干.完成典型的变频调速系统控制。

    2.实训装置的应用
    (1)实圳目标。
    ① 了解自动化系统先进理论与技术;② 掌握自动控制现代器件与设备的使用;③ 了解自动控制的实施方法和步骤;④ 初步建立自动控制系统的方案论证以及自动控制系统的工程化设计;⑤掌握简单的自动控制系统硬件设计;⑥掌握自动控制系统的编程;⑦掌握自动化系统集成、联调方法。

    (2)掌握的技能。
    ①拟定总体设计方案;② 进行硬件设计(原理图、PCB图);③软件设计(编程及仿真);④ 系统制作(电气设备选择、系统布线、);⑤ 系统调试(硬件调试、软件调试、综合调试)。

    (3)实训内容
    由于实训装置采用模块式结构设计.因此通过对模块的适当组合,可以构成不同的控制系统,可大可小、可简可繁。在触摸屏技术训练中利用触摸屏的显示功能,测试PLC各个I/0点是否正常。利用触摸屏作为输入模块控制步进电机完成速度控制和位置控制。利用触摸屏控制变频器。

    在变频器技术训练中学习设置频率范围,设定上升、下降时间,将自控改为外控。最大输出电压与低速转矩设置;PLC控制变频器实现PWM 调速训练。变频器的多级速运行训练。在组态软件训练中利用组态软件上位机编程。控制皮带传送及变频调速;PLC编程利用组态软件进行上位机监控。

    在传感器检测技术训练中进行电感、电容、颜色、光栅等传感器的检测训练;旋转编码器反馈速度控制、定位检测训练。货物传送输送训练。微动开关控制训练。

    在电机控制训练中进行步进电机速度控制、位置控制训练。在PLC、变频器与电机控制训练中进行正反转运行、组合运行、多段速度运行、多级加减速设置操作以及PLC控制变频器启动、停止、训练。

    在气动控制中学习气压传动系统的组成,学习气源装置以及气缸、阀门的使用.在PLC控制下进行气动装置自动启动和停止训练。此外,在继电一接触式控制实训中还可以进行电动机按钮联锁正反转、电动机接触器联锁正反转、电动机双重联锁正反转控制训练、工作台自动往返控制、Y一△降压启动控制以及其他复杂的控制线路的设计、安装与调试。

    该装置可以将诸多电气设备集合一起。构成复杂的控制系统,并且实现多台装置的联网和通信。形成集散控制系统。

    学生在这个集多项技术的平台上,通过动手操作实现各种自动控制。并通过光亮、声音以及物体的运动方向、运动速度以及运动位置去体验工程实践,感受工业现场。

    3.应用价值
    (1)该装置的设计在贯穿传统专业技术理论的同时,融合了最新的现代技术,充分体现了宽视野、高起点、新知识、应用性强的特点。这种“宽”、“高”、“新”、“用”的设计思想,为高校研发实训教学设备提供了~ 种借鉴,并具有一定指导意义。

    (2)该装置涉及的控制技术宽泛,集继电一接触器控制技术、PLC技术、变频器技术、传感器技术、电机控制技术、气动控制技术、触摸屏技术及计算机组态软件监控技术于一身,几乎涵盖了各种加工业、制造业以及其地领域的自动控制技术,是工业自动控制的综合载体。

    (3)由于采用了模块方式,具有任意组合性。因此,可以构成几十种工程训练题目,成为一套融合实验、实训及综合开发的培训系统。

    (4)学生从设计、布线,到系统调试,在动手的过程中体验工程实践,从中获得对抽象概念的理解和具体的应用经验,构建起完整的理论+实践的知识体系。

    (5)该装置在培养学生提高理论知识和动手能力的同时,也向教师提出了更高的要求,教师应具有很强的现场排除故障能力和课堂组织能力。因此,这一装置对培养双师型教师队伍、提高教师实践能力方面也能发挥重要作用。

    (6)如果充分利用该装置,不仅可以改进课程设置、教学内容和教学方法的改革,而且将推动自动化类专业人才培养模式的创新。

参考文献:
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米伟哲.PLC在实践教学设备中的应用.自动化技术与应用.2007,26(3).
刘海宽,张兴奎,宋聚明.自动化系统工程师素质实训方案的研究U】,科技信息,2007,28.
李军,徐志良,彭富明 自动化专业实践教学改革,中国现代教育装备,2004,1.

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