首页 -> 2007年第6期
机械类专业电气控制技术实验课的探讨与实践
作者：马丽霞 唐景林
[关键词]电气控制技术，专业特点，综合实验。
[中图分类号]G642.423[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2007)06-0515-03
0引言
在现代化生产过程中，许多自动控制设备、自动化生产线，均需要配备电气控制装置。以往的电气控制装置主要采用继电器来实现，由连接导线将这些器件按照一定的工作程序组合在一起，以完成一定的控制功能，这种电气装置体积大，生产周期长，接线复杂，故障率高，可靠性差，控制功能略加变动，就需改变接线、重新组合。
随着现代科学技术的飞速发展和综合技术的广泛应用，工业电气控制技术也发生了根本的变化。从传统的继电器控制技术逐步过渡到现在的可编程控制技术。可编程控制器是以软件实现各种控制功能，以微处理器（Microprocessor）为核心，综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术发展起来的一种通用型的工业控制装置。可编程序控制器广泛地应用于工业控制，它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性和实时处理能力强的优点。可编程序控制器是把计算机技术与继电器控制技术有机结合起来，为工业自动化提供的几乎完美的现代化自动控制装置。
为了适应当前社会对高素质大学生的需要，使其尽快融入生产实践中，燕山大学压力加工专业本科生新开设了电气控制及PLC课程。课程目标是培养学生对电气控制系统的分析和设计基本能力，掌握现代工业的先进控制技术。该课程涉及的知识面较宽，与生产实际结合紧密，除了讲授理论知识外，实验课学时占了较大的比例，是一门实践性较强的专业课。因此，该课程的实践环节至关重要。
电气控制技术课程在理论知识方面学习了电气控制原理、PLC的基本工作原理、PLC的硬件结构、常用编程指令以及梯形图编程等。但由于机械类学生在电气控制方面的基础知识与电类专业的学生不同，因此在实验课设置上应与电类专业的学生有所区别，实验设置要具有针对性，对于他们更应该在实验环节上与专业知识结合，开设具有专业特点的综合性实验。
1实验课设计思路
1）从专业实际出发。结合专业其它课程内容，尽量以较少的实验学时包含较多的知识信息量。实验课概括的知识点为：压力加工设备的机械结构、液压传动系统、电气控制系统、可编程控制器的编程与应用。这几项基本包括了压力加工设备的全部内容；
2）因地制宜。在招生量扩大，硬件资金紧张的情况下，要充分利用实验室现有设备，节省投资。实验室现有两台315吨液压机，在此基础上对设备电气控制部分进行了PLC改造，同时将原有的继电器控制系统保留，通过切换开关可将传统继电器控制系统与PLC控制系统进行切换。教学内容以传统的继电器控制为基础，以典型的液压机继电器控制为出发点，结合液压机PLC控制系统，掌握控制程序的基本编程方法；
3）软件硬件兼顾。实验课内容以硬件为主，同时融入上机编程训练。实验要求学生根据课堂理论知识，针对不同控制目标，课前设计控制电路，编辑梯形图程序，并与外部设备连接，调试程序；
4）由浅入深，循次渐进。实验内容安排上，不但每一个实验要自成体系，而且又是下一个实验的基础，中间环节紧紧相扣，形成一个完整的链条；
5）以教学促进科研。对陈旧设备更新改造，不但有利于新实验的开发，同时为科研创造有力条件。实验室两台315吨液压机，承担繁重的科研任务，利用率很高，由于电气控制系统老化，使用中经常出现故障，在使用性能上不能满足要求。控制系统的PLC改造对于设备的使用性能、设备维护维修都带来了极大的方便，为科研的顺利进行奠定基础。
2应用实例
实验内容分为四个部分。
2.1电气控制基础实验
包括低压电气元件的组成、结构、拆装、基本回路。通过元件的拆装，了解其工作原理，为液压机电气控制系统实验做铺垫。
2.2液压机液压系统与电气控制系统
液压传动是本专业学生的必修课，实验中以锻压机械液压系统为基础，首先要求学生了解液压机液压传动基本原理，液压阀控制回路基本原理，由此引入电气控制概念。实验要求学生根据液压机的动作原理，液压系统的工作步骤，现场绘出电气回路图。该项内容不但巩固了液压传动原理的知识，而且也使电气控制技术课程内容与实际应用结合起来，达到由浅入深，循次渐进，由点及面的效果。
2.3液压机PLC控制系统
液压机的工作流程由滑块快速下行、慢下加压、压制、保压延时、卸压回程、顶出缸顶出及顶出缸退回7个过程组成。这7个过程是在半自动及手工控制下实现的。在PLC自动控制的液压机中，这7个过程可做到全自动依次进行，只有在人工按停止按钮或急停按钮干预的情况下方能停止。
液压机的自动控制系统要求能实现自动及手动两种控制方法。液压机在正常工作时，选择自动控制方式。
液压机自动工作状态：①液压机滑块靠自重快速下行；②液压机滑块慢下加压；③接触工件进行压制；④达到预定压力开始保压；⑤保压延时到卸压回程；⑥回程到位后，延时一定的时间顶出缸顶出；⑦顶出到位后，延时一定的时间顶出缸退回；⑧延时一定的时间进行下一个工作循环。
其动作过程均由液压阀控制，而液压阀的动作由交流接触器、过热载继电器、断路器、压力继电器、延时继电器等电气元件组成的控制电路来实现。设备除了保留原有电气元件控制电路，另一套为经改造后的PLC控制系统，两套控制系统能分别对液压机进行控制。学生可以通过对比两种不同控制系统，加深对实验内容的理解，更好地理解PLC在自动化控制中的优越性。本实验使用的是OMRON的CP1H-XA型PLC，CP1H-XA型PLC定位于小型机，外形尺寸较小，但它却是基于CS/CJ中型机平台的，因此具备了很多中型机的功能。
CP1H-XA的主要特点如下：①I/O40点：（24点输入、16点输出）带LED显示；②内置模拟量4路输入、2路输出；③2位七段译码显示器；④ 4轴高速计数功能及原点搜索功能：100kHz2轴、30kHz2轴；⑤除USB并行端口标准搭载，还有2个串行端口可自由选择RS-232C、RS-485；⑥用户程序容量20K步，数据存储容量32K字；⑦编程软件使用CX-P6.1版本。还有FA综合工具包CX-ONE,可实现PLC与元器件外部设备的结合。
从液压机的功能及实验要求考虑，上述型号的PLC完全能够满足要求。
图1所示为自行设计的液压机PLC控制板，图2所示为液压机PLC控制系统流程图。控制系统通过PLC实现了原来由继电器控制的功能。学生在上一个实验中已通过现场绘制继电器控制系统的电路图，对控制系统已有了初步的认识 ，通过了解PLC的控制过程，并将两者加以比较。实验内容包括：液压机PLC控制原理、PLC控制过程、PLC编程等。在实验操作中，要求学生通过PLC控制系统选择液压机工作方式，记录液压机每个工作状态下PLC指示灯状态，并以此为依据，反推出I/O分配表。
图3所示为PLC控制综合实验装置。该实验是前几个实验的综合应用。实验内容针对机械设备中常见的电机单向转动控制，电机正转反转控制、电机行程控制、电机Y-