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电气自动控制论文机床电气控制论文：机床电气与PLC控制教学实验装置的开发研究摘要:针对《机床电气控制与可编程序控制器》课程教学的需要,开发研究出适合本科教学需要的综合实验装置,该装置将工程实践与教学紧密结合,为培养学生工程实践能力、科技创新能力提供了良好的条件。关键词:机床电气;可编程控制器;实验装置1引言20世纪20年代出现的将接触器、各种继电器、定时器、其它电器及触头按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统,它结构简单、价格便宜、便于掌握等特点在工业控制中广泛运用[1,2]。随着现代工业的迅猛发展,生产控制的柔性化需要,传统的继电接触器控制系统已经不能满足生产需要[3,4];同时计算机技术的迅猛发展也为新的工业控制方法奠定了基础[5,6]。可编程序控制器（PLC）将计算机的功能完善、通用性、灵活性好的优点与继电接触器控制系统的结构简单、价格便宜、便于掌握等特点有机结合,在现代工业控制中得到广泛应用[7,8]。机床电气与PLC控制教学实验装置将机械、电气、计算机技术、自动化技术等学科熔为一体,结合工程实践,综合性和应用性较强,又以开放性和设计性实验为主,改变了原有的单一实验单一设备或单一课程单一实验装置的模式,适应以电气控制与PLC为主的多门课程教学和实验的需要,提高学生的工程实践能力,培养学生的创新意识。机床电气与PLC控制教学实验装置一方面模拟机床电气控制系统的继电器-接触器硬接线逻辑,提供多种控制对象或模型,克服了传统实验装置功能单一,只能针对固定实验内容的缺陷。另一方面引入计算机控制技术,培养学生应用计算机的能力。2实验装置原理、结构与设计实例为了体现综合性和开放性,实验装置的设计需要以机床电气控制系统原型为基础,具有很好的自由度和适应性,体现模块化设计的思想,保证系统很好的扩展性和延伸性。2.1实验装置原理分析首先建立实验台的控制系统的理论模型。一个完整的控制系统由系统输入、逻辑控制、系统输出、比较元件、测量元件所组成,其控制部分又分为开环控制和闭环控制两种,一个反馈控制系统的基本组成如图1所示。一般机械设备的电气控制系统原理并不复杂,是由输入设备、执行机构和逻辑控制三部分所组成的控制系统,也可以依据被控生产机械或生产设备运行情况实现反馈控制。输入设备用于系统的信号采集,接收从开关、按钮、继电器触点、传感器等输入的现场控制信号,逻辑控制部分实现电路控制或通过PLC对输入信号进行计算处理,转换之后的控制信号用于控制执行机构,驱动接触器、电磁阀和指示元件等负载。控制部分为两类:一类为传统的以继电器、接触器为主的电气控制系统,其控制逻辑完全由硬件构成;另一类为基于可编程控制器PLC的电气控制系统,其控制逻辑由编程软件来实现。机床电气控制系统的原理图2所示:因此机床电气与PLC控制教学实验装置的设计思想是:以继电器-接触器为主的硬接线逻辑和以PLC为核心的软件编程完成系统的控制功能。实验装置的输入由按钮、选择开关等开关量实现,实验装置的输出由各种执行部件组成,提供各种控制对象用于实现各种不同的控制要求。2.2实验装置结构组成根据机床电气控制系统的基本原理,实验装置的系统结构由控制电路（各种低压电器所组成）、控制面板（指示灯与控制按钮）、可编程控制器PLC、计算机、各种控制对象（电机、机床动力头等）组成。机床电气控制系统分为两大模块:以接触器-继电器为主的电气控制通过选择接触器、继电器、热继电器等各种电气元件,经过布线、接线与调试,完成传统的硬接线逻辑电路,实现不同的控制要求,如电机起动、正反转、制动等控制功能、机床执行部件的工作循环等。基于PLC的电气控制用于PLC的应用程序设计,通过计算机编程完成应用程序的设计,并传送到PLC上实现设备控制。实验装置的系统结构如下图3所示。（具体的接线过程细节略）至此,我们搭建了机床电气与PLC控制教学实验装置的基本结构原型,由于系统是开放的和可扩展的,因此可以根据需要增加电气元件、执行部件和其他功能模块。2.3实验装置的设计实例与应用“机床电气与PLC控制教学实验装置”如图4所示,由电路接线面板、控制面板、执行元件工作台、PLC、计算机及相关软件所组成。可编程控制器PLC选用欧姆龙（OMRON）公司生产的SYSMACCP1H系列,40点开关量输入输出,具有模拟量输入输出功能。CP1H配备了标准USB端口和2个串行通信接口(RS-232C和RS-485),可以实现网络通讯,将多台实验台联成网络,实现工业网络控制。PLC与上位计算机使用USB端口通信。电路接线面板用于学生的电气控制电路的设计与实际接线操作,提高学生的动手能力。执行元件工作台提供各种执行元件,如三相异步电机、步进电机、伺服电机等各种电机和机床动力滑台。实验台的应用过程分为接触器-继电器的硬接线控制和基于PLC的软件控制,实验过程中的系统设计如图5和图6所示:3实验装置的特点3.1实践性强此实验装置是针对机床电气与PLC课程的实验教学而设计,而且与工程应用密切相关,因此具有很强的实践性。实验平台采用真实的电气元件或实际模型,直观性很强。如机械动力滑台,模拟机床动力滑台运转,快进、工进、快退等整个工件加工过程,学生从中可以很清楚地看到理论与实际的具体结合,因此具有更强的实践性。学生通过对各类电器及电气元件的认识、接线和组装,从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。另外,学生在这些模型的组装和调试中,需要进行大量的实际操作,从而提高了自身的动手能力和解决实际问题的能力。如电机控制,首先要熟悉电机控制原理图,绘制电路图和接线图,然后完成主电路和控制电路的连接,再通电试车、调试,最后观察电机的运转情况。此外,通过计算机的软件编程完成PLC应用程序的设计可以全面提高解决实际问题的能力。3.2开放性好和机械类专业其他课程实验相比,以此为平台的电气控制实验内容涉及面很广,具有开放性和综合性的特征。在执行件中可以提供多种电机、多种控制对象模型供选择,如以机械手为执行件,可以完成用机械手移动工件控制要求的实验课题;提供电梯模型,可以实现电梯模拟控制。由此看出实验平台可根据不同实验要求,增加相应的功能,具有很好的开放性。充分体现机电一体化,多学科领域交叉的思想,通过实验使学生掌握机械、电子、自动化、计算机等相关知识,全面提高学生的综合素质。3.3创新性强课程实验内容紧密结合生产实践,因此学生进行实验不仅仅是对已学的理论知识的验证和理解,而是把课程知识充分应用到工程应用中去。学生可以自由选题,自主设计,提高创新能力。此实验装置的不仅可以完成课程实验,同时让学生掌握PLC及电气控制系统的设计思想和方法,以便应用到工程实践中去。4结束语总之,机床电气与PLC控制教学实验装置将机械、电气、计算机技术、自动化技术等学科熔为一体,综合性和应用性较强。此实验装置将机电控制实践引入教学实践,培养学生的工程实践能力,充分发挥学生的主观能动性,给学生一个自主发挥的创新平台,为创新型人才的培养提供了良好的条件。参考文献:[1]汪晓光,孙晓瑛．可编程控制器原理及应用[M]．第2版．北京:机械工业出版社,2001[2]邓则名,邝穗芳,程良伦.电器与可编程控制器应用技术[M].第2版．北京:机械工业出版社,2004.8[3]刘美兰,PLC控制教学实验系统的设计,实验室研究与探索[J],2004.2;23（2）:26-27[4]姚兴军,叶理平．PLC控制系统的计算机仿真研究[J],机电一体化,2002;8(3):26-28[5]日本欧姆龙公司《,CP1H可编程序控制器编程手册》[z],2005[6]（美）默里斯（S.BrianMorriss）.可编程逻辑控制器[M].译者:杨智北京:机械工业出版社2006[7]王永华,宋寅卯.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.2[8]（美）韦布（Johnw.webb）（,美）RonaldAReis.可编程逻辑控制器原理与应用[M].第5版.译者:丑武胜.北京:电子工业出版社2005