气动PLC控制教具小型化的设计与实现

气动PLC控制教具小型化的设计与实现

作者：梁刚 蒙雪兰 方良材

来源：《职业教育研究》2011年第11期

摘要：针对目前市场上气动PLC控制教具多以实验桌的形式出现，占用空间较大，而且跨科目实训通用性不强这一突出问题，提出了气动PLC控制教具应当在满足实验实训要求的情况下尽量小型化、跨科目通用化的设计思路。根据这一设计思路，本文简要阐述了一款小型化气动PLC控制教具的设计、安装与调试过程，旨在通过使用这样的教具提高实验实训室的使用效率。

关键词：气动PLC控制；教具；小型化；设计；实现

中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1672-5727（2011）11-0156-03 设计背景

目前市场上气动PLC控制教具多以实验桌的形式出现。其优点是综合了气动控制与PLC控制的实训内容，可容纳较多的元器件，在实训中可以根据需要更换元件便可完成不同的实训项目，对同一科目通用性较强。但实验桌所占空间比较大，而且跨科目实训通用性不强。在土地资源越来越珍贵的今天，很多院校受场地的，对这些教具望而止步——并非购买不起，而是采购回来后没有足够的空间放置。因此，在社会经济不断从粗放型向集约型转变、资源配置要求合理化的今天，如何设计教学仪器设备，在不增加土地和教室等资源消耗的情况下，又能满足实验实训的要求，有着十分重要的意义。 设计思路与要求

我院电工实验实训室不仅可完成电气控制线、照明电路以及电度表的安装与调试，还可以实现机床电路维修、电子电路板焊接、PLC控制、传感器以及变频器安装与设定等多门课程的典型实训项目。一间小小的实验室为什么可以完成那么多的实训项目？究其原因，主要是这些教具大多没有使用目前市场上热卖的实验桌，而是采用活动型的电路板块。这些电路板块在不使用时，可以叠放保存，占用空间少，便于管理，可腾出空间来完成其他种类的实验实训项目。受此启发，我们可以设计一款既可以在气动控制教学中使用，也可以在PLC控制教学中使用，甚至还可用于传感器部分教学内容的教具。设计这一款教具的基本出发点是：要求在能够保证设备功能综合性的同时，使其占用空间尽可能少。

从教学要求上看，我们设计的教具，首先应该具备开设气动控制基本项目及部分扩展项目实训的功能。气动控制实训的基本项目主要有：换向回路、流量控制回路以及压力控制回路三种基本气动控制回路的安装与调试。而开设这些实训项目，需要双作用气缸、二位五通电磁

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阀、节流阀、减压阀等气动元器件。除了满足基本回路安装与调试的实训外，教具还应适应更高层次实训项目的需求。在这里我们增加了三种回路：时间控制回路、同步回路和顺序动作回路，并把它们作为教具的高级功能。其次，教具要利用PLC作为控制器来控制这些气动回路的运行。因此，在PLC控制教学中，所需开设的实训不仅包括自锁电路、互锁电路以及延时通电电路等基础电路的程序设计、电路接线及调试，还应包括几种不同方法顺序动作电路的程序设计、电路接线及调试等综合性实训项目。再次，使用磁性开关（一种传感器）作为该教具控制系统的输入元件。磁性开关需要带磁性活塞的气缸与之配合使用，其作用与行程开关一样，用于行程控制。 设计方案

根据上述设计思路与要求，我们确定这款教具需采用三个气缸来组成一个自我循环的工作系统，同时由PLC完成对这三个气缸的控制，从而实现一种教具多门课程共同使用的功能。该教具实际是一个简化了的、由PLC控制的、自我循环的气动物料搬运系统，如图1所示（图中箭头旁数字与工作过程步数一致）。其工作过程可描述为：第一步，所有气缸复位；第二步，启动运行，气缸2带动装料盒至装料位置，并停止；第三步，气缸1推动物料进入装料盒，然后复位；第四步，气缸2复位；第五步，气缸3推动气缸2移动至最大行程位置并停止；第六步，气缸2带动物料盒至出料位置并停止；第七步，气缸1推动物料至供料点并复位；第八步，气缸2复位；第九步，气缸3复位，工作循环完成一个周期。由于物料可使用比较轻的物品，因此气缸带载能力不需要太高，这里可以选择横截面积、行程都比较小的气缸，且全部需要活塞带磁性的类型。根据搬运系统工作过程可以得知，至少需要两个按钮分别用于启动和停止，至少需要六个磁性开关分别安装在三个气缸两端的极限行程位置。 设计与实现 （一）硬件设计

由于实验室已经有一定数量的单台PLC主机，并且此教具需要使用的外部接线端数量也控制在了目前市场常见的最小PLC所提供的点数范围内，因此，作为主控制器的核心元件PLC并不需要重新购买。根据设计方案，可以得到组装该教具各元件清单及价目，如表1所示。表1中的各元件均可在学校附近的机电市场采购到，使得作为经常拆装的教具在出现元器件损坏时可方便地更换。综合上述硬件需求，一套这样的元件成本可以控制在600元以内，比起一些动辄上万元一台的专用教学实验桌，成本大大降低，使得“少花钱，多办事”成为可能。 根据前文对该教具设计要求的描述，可得这款教具的PLC控制系统通道分配，如表2所示。其中，系统工作过程的第七步，可以通过定时器定时，并可通过适当调节气缸1的运动速度来实现气缸1完成第七步的往复运动。

教具的支架加工及组装都是精度要求很高的工作。在这里，支架选择截面为38×25mm、壁厚为1mm的不锈钢方管作为原材料。底座部分按照“竖横竖”的方式排布焊接在一起，从而

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在中间形成一个物料移动导向槽。支架本身全部采用点焊连接方式，并在气缸安装处预留通孔，用于安装气缸。根据表2中的通道分配，可以得出PLC的外部电路接线图，如图2（a）所示，各气缸磁性开关安装位置如图2（b）所示，气动回路设计如图2（c）所示。由图2可以看出，电路接线并不复杂，容易实现，而且可以在非常短的时间内完成。

由于气缸3位置的特殊性，除要求其运动轨迹为直线外，活塞连杆是不能发生旋转运动的，否则将会出现气缸2不垂直导轨现象。同时，气缸2由于连接着装料盒，活塞连杆也是不能发生旋转运动的。因此，在设计过程中，可采用活塞连杆为正六边形的气缸作为气缸2和气缸3的标准配备。当然，也可以采用双缸气缸或者是平行双气缸同步控制回路来实现这两个位置的直线不旋转运动。其中，后者成本因气缸数目的增加而增加，显得教具的性价比并不是那么突出，同时对支架的加工及气缸的安装这两项工作的精度要求将会变得更高。比如平行气缸的安装一定要保证气缸平行，且在工作时必须同步推出或者缩回，否则容易出现磨损，平行度差时甚至会出现自锁现象而无法运行。 （二）软件设计

根据前文所述的系统工作过程，可用顺序控制编程方法进行编程。主要方法有：步进指令、起保停电路以及以转换为中心的编程方法。在本设计中我们采用步进指令方法进行编程。其顺序功能如图3所示。其中S0为系统复位待机状态，状态转移条件为X1即启动按钮接通；S20为物料盒进入装料位状态，状态转移条件为X5即气缸2下限位磁性开关接通；S21为推料进盒状态，状态转移条件为X2即气缸1左限位磁性开关接通；S22为推料复位状态，状态转移条件为X3即气缸1右限位磁性开关接通；S23为物料盒抬升状态，状态转移条件为X4即气缸2上限位磁性开关接通；S24为物料盒右移状态，状态转移条件为X7即气缸3右限位磁性开关接通；S25为物料盒下降状态，状态转移条件为X5即气缸2下限位磁性开关接通；S26为出料状态，状态转移条件为T0即定时器延时常开触点接通；S27为出料复位状态，状态转移条件为X3即气缸1右限位磁性开关接通；S28为物料盒抬升复位状态，状态转移条件为X4即气缸2上限位磁性开关接通；S29为物料盒左移复位状态，状态转移条件为X6即气缸3左限位磁性开关接通。

根据顺序功能图可轻松地转化为梯形图程序。 （三）程序仿真与调试

完成了梯形图程序设计，在真正用于控制系统前，还必须经过仿真软件进行模拟调试，除了观察每一步是否在相应的转移条件下能够顺利转移之外，还应注意输出线圈是否能够顺利接通。确定了调试核对目标便可完成对程序设计进行仿真检测这一项设计内容。 （四）教具的组装与调试

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程序仿真与调试成功后，就可进行教具的组装与调试了。在组装时选择的是行程最大为150mm的气缸，所以整套设备横过来放置长度不超过800mm，高度不超过400mm，宽度也不超过200mm，因此体积较小。而且由于这样的体积，普通课桌的桌面都能放置得下，即使加上PLC主机模块也能容纳得下。 结语

设计组装完成后，使用该系统可以完成气动控制回路安装实训、PLC控制电路安装实训、PLC控制程序设计等实训项目。由于PLC控制程序可更改，该搬运系统的工作流程也可以随之改变。从组装结果来看，体积满足了设计要求，不至于有太大元件难以放置，从而实现了设备小型化、合理利用教室资源的目标。 参考文献：

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[4]周鸿杰，等.基于PLC的工业取料机械手系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2010，（3）.

[5]陈羽锋，等.基于PLC的气动送料控制系统的设计与应用[J].机械制造与自动化，2010，（2）.

作者简介：

梁刚（1982—），男，壮族，广西南宁人，工程硕士，广西农业职业技术学院机电工程系讲师，研究方向为机电一体化技术、电气自动化。

蒙雪兰（1970—），女，壮族，广西南宁人，工学硕士，广西农业职业技术学院机电工程系副教授，研究方向为机电一体化技术、电气自动化。

方良材（1982—），男，广西南宁人，工程硕士，广西农业职业技术学院机电工程系讲师，研究方向为机电一体化技术、机电设备维修。