便携式PLC学习实验箱设计分析

摘要：基于教学需要，设计了一种便携式的PLC学习实验装置。装置包括箱体，PLC控制器，输入输出模块，步进丝杆滑台等。设计提供了一种基于以太网通信，工业触摸屏作为人机界面，以步进电机丝杆滑台作为被控对象能够实现运动控制的便携式PLC实验装置。该实验箱不仅能够完成PLC教学中的各种经典控制实验，而且能够完成运动控制、位置控制等智能控制实验。该实验装置有利于提高学生熟练掌握PLC技术的运用能力和实践创新能力，符合国家培养创新型卓越工程技术人才的需要。

关键词：便携式；PLC；学习实验箱

PLC课程是高职高专院校机电一体化类和自动化类专业的一门主干核心课程。目前，不论是国内自行设计的自动控制系统还是从国外引进的自动生产线，普遍将PLC作为控制系统的核心部件。因此为了满足企业对高技能人才的需求，学校就必须提高PLC课程教学质量，以“培养学生实践能力为导向”，组织更高水平的PLC综合实训，为企业培养实践能力达标的机电一体化技术人才。PLC课程作为一门实践性、综合性很强的专业课程，目前的教学出现了一些的问题：①学校的PLC综合实训台虽然功能比较强大，但是体积庞大、价格昂贵、数量有限。这就导致学生实训操作时间严重不足，距离企业岗位技能要求有较大差距；②由于现有实验设备的限制导致PLC课程的学习只能在学校实验室进行。近年来，随着各种技能大赛，创新创业比赛的开展，越来越多的学生不再满足于课堂内的实践，他们希望能在家里、图书馆等场所进行学习；③现在学校使用的PLC教学设备存在一定局限性，例如：可变性不强、模式比较固定、不适合实施以学生为主导的探索式学习。鉴于对以上问题的思考，便于更好地开展PLC课程的实训教学，本文设计并开发了一台便携式PLC学习实验箱。

1系统构成

便携式PLC实验箱系统结构框图如图1所示。本实验装置以PLC为控制器，触摸屏作为人机界面。控制器和触摸屏之间采用EtherNet／IP协议通信。实验箱采用铝合金手提箱形式，上下合盖安装有角度限位撑杆，结构紧凑美观，易便携。实验箱包括：PLC单元及PLC电源模块、触摸屏、路由器、步进电机丝杆滑台、步进驱动器、编码器、位置传感器、输入单元、输出单元及若干组接线端子排。输入单元包括按钮、转换开关、光电传感器，输出单元包括指示灯和步进驱动器、步进电机。图2为便携式PLC学习实验箱的实物图。

2系统设计

2．1控制器

控制器选择了罗克韦尔自动化Micro800系列的Mi-cro850，型号为2080－LC50－48QBB的可编程控制器。该控制器有48个数字量输入输出点，可容纳2－5个功能性插件模块，额外支持4个扩展I／O模块。通信接口除了USB和串口外，还有嵌入式以太网接口，可通过标准RJ－45以太网电缆实现网络编程和通信。具有3个100KHz脉冲序列输出（PTO），6个100kHz高速计数器输入（HSC），可实现与步进电动机，伺服控制器的低成本接线。本实验箱的PLC控制器可根据实际需要更换为其他品牌的PLC控制器。

2．2人机界面

触摸屏作为主要的人机界面，它可以用来设置参数、显示数据、监控设备状态以及曲线或动画等形式描绘被控对象的控制过程。触摸屏选用了AB公司生产PanelView800系列的型号为2711R－T7T的图形终端设备。触摸屏通过工业以太网Ether-Net／IP协议与控制器连接，实现数据交换。

2．3输入输出设备

输入设备为多个常开自复位按钮、自锁按钮及2个转换开关，多种按钮组合能够满足不同的控制要求。输入设备还包括了丝杆滑台上的3个光电传感器及1个光电增量式的编码器。学生们可以借助实验箱学习这些生产现场常用的开关量输入设备的工作原理和接线方法。输出设备除了常用的指示灯，还有体积较小、有典型功能的步进电机和步进驱动器。选用步进电机作为被控对象是因为当前工业生产活动中步进电机的应用非常广泛。步进电机具有极强的灵活性和实用性、系统成本也较低，因此在工业生产中具有很大的应用价值。

2．4被控对象

被控对象选用了步进电机驱动的丝杆滑台机构。步进电机带动丝杆滑台运动，配合编码器、光电传感器实现步进电机闭环控制。学生可以通过该被控对象学习PLC运动控制指令及编程方法。随着工业4．0和智能制造的推进，满足各行业需求的集成运动控制的PLC的应用才是学生需要重点掌握和学习的内容。

2．5网络设置

智能制造的网络化要求PLC具备较强的网络通信能力，未来PLC将采用实时工业以太网技术实现高速稳定的网络通信。本实验箱是基于EtherNet／IP以太网通信协议的控制网络结构。通过路由器和网线连接PLC控制器、触摸屏、PC机及被控对象驱动器，依靠PC机上的软件平台实现设备组态并完成通讯。

2．6装置软件

上位PC机中设置了罗克韦尔Micro800系列控制器的设计、编程和组态软件CCW10．0。CCW软件的使用还依赖于RSLinx软件，其作用是提供CCW编程软件和各个设备之间的通信驱动。罗克韦尔人机界面终端PanelViewComponent的组态和编程也是在CCW软件中完成的。上位机中还可安装工控组态软件FactoryTalkViewStudio，从而构建一个统一监控和管理整个生产过程的监控系统。

3实验箱在教学中的应用

在PLC课程的教学工作中，实训教学内容是非常重要的。本实验箱是为了提升学生的PLC实践操作能力而开发的实验装置，制定教学项目时，应以实际工程项目设计过程为导向，从简单到困难，从基础到综合，制定多层次的实验项目。实验项目可以分为三个层次。

3．1基础型实验

这类实验项目以按钮和光电传感器为输入设备，以指示灯为控制对象，完成经典的PLC控制项目，例如流水灯、交通灯、抢答器等。通过基础性实验掌握编程软件基本指令的使用方法，熟悉PLC编程思路和方法，同时掌握PLC与触摸屏的通信及简单人机界面设计。

3．2应用设计型实验

这类实验将控制对象设定为步进电机驱动的丝杆滑台。通过实验让学生掌握步进驱动器的接线方法、PLC运动指令、滑台位置控制的方法及程序调试方法。让学生完成基于触摸屏的丝杆滑台运动监控系统和基于组态软件的丝杆滑台运动监控系统两个综合设计项目。这些综合类的实验项目从基础到综合，有利于引导学生从被动的接受转变为主动的探索。

3．3拓展创新型实验

拓展创新型实验的被控对象可以选用实验室现有的码垛机机械手（如图3），也可以与带有模拟量输入的Micro820控制器（如图4）组成分布式控制系统。学生可以借助这些外加的控制对象学习分布式控制系统的组态、主从控制器之间的数据交换、码垛机机械手设计等综合实验项目。本实验装置可以提供给学生自行设计控制系统，完整地学习工控项目开发流程，用于完成毕业设计或者进行创新实践活动。这类拓展创新型实验能够培养学生创新意识和工程实践能力，充分激发学生潜能。

4结束语

该实验箱不仅能够完成PLC教学中的各种经典控制实验，而且能够完成运动控制、位置控制等智能控制实验。该装置有利于提高学生熟练掌握PLC技术的运用能力和实践创新能力，符合国家培养创新型卓越工程技术人才的需要。同时本实验装置考虑了本校实际情况，在使用过程中能规避传统实训设备的不足，是“新工科”背景下学校建设实验教学仪器设备的一次尝试和积极探索。

参考文献

［1］石昊，李庆章．自动打磨机器人实验装置的设计［J］．实验室研究与探索，2020，39（1）：83－86

［2］韩庆敏，林浩，姜洪朝，等．PLC控制系统在智能制造时代的应用及发展趋势［J］．信息技术与网络安全，2018，37（5）：18－21

［3］邓磊．PLC综合实训教学装置的设计与应用研究［J］．计算机产品与流通，2020（5）：167

作者：吴茹石 单位：无锡机电高等职业技术学校