实验题目：基于 PLC 控制的智能生产综合实验

1. 课程简要信息

课程名称：电工电子学实验

课程学时：48

适用专业：机械工程、动力及能源工程等非电工科专业

学生年级：大二

2. 实验内容与任务（限 500字）

1）实验内容

PLC 控制的智能生产线由供料、加工、装配、输送、分拣等工作单元构成。智能生产线各单元都可自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统，应用了多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。各个单元的执行机构采用了气动驱动、变频器驱动和伺服（步进）电机位置控制等。基于已安装完成的智能生产线实验平台，完成各单元的控制程序编写并进行调试，最后将4个单元组网联调成为按照指令要求进行生产的智能生产系统。

2）设计任务

$\textcircled{1}$ 完成供料、加工、装配和分拣工作单元的 PLC 控制程序编写，使 4 个单元能够独立实现相应功能，并通过各单元独立的人机界面显示其工作状态；

$\textcircled{2}$ 完成输送单元的 PLC 控制程序，通过该单元的直线运动传动机构，驱动抓取机械手装置到指定单元的物料台抓取工件，并把抓取到的工件输送到指定地点放下，将智能生产线中对工件的供料、加工、装配和分拣等环节有机地结合起来，并通过人机界面显示机械手的位置和运行速度；

$\textcircled{3}$ 设计仅由PLC、人机界面和各单元之间的通信线缆组成的总控单元，通过人机界面监控各单元工作状态，并设置急停、复位等安全保护措施，确保整个系统的智能生产有序进行。

3. 实验过程及要求（限 300字）

1）学习各种传感器和执行机构，了解其工作原理。

2）了解三菱FX3U 系列PLC 和人机界面的使用方法，熟悉编程软件、仿真软件的程序编程与调试，实现 PLC、人机界面和计算机之间的相互通讯。

3）根据智能生产线的相关资料，了解各单元的系统构成，明确各单元的设计任务。

4）掌握每个传感器和执行机构连接 PLC 所对应的I/O 点，编写PLC 控制程序。

5）根据控制要求编写各单元的梯形图程序，仿真成功后进行现场调试。

6）调试各独立控制单元并能按设计要求运行，进行系统的联网、通信后，实现由总控单元人机界面发出生产指令，其它各单元依次完成供料、加工、装配、输送、分拣等生产环节。

7）现场验收，提问讨论与教师点评。

8）撰写设计报告，组织演讲答辩。

4. 相关知识及背景（限 150字）

本实验具备系统性，综合运用 PLC、变频器、伺服电机、传感器技术和气动装置，完成从控制方案 $\twoheadrightarrow$ 软硬件学习 $\twoheadrightarrow$ 系统硬件设计 $\twoheadrightarrow$ 程序编写及仿真 $\twoheadrightarrow$ 现场调试的复杂工程实践过程，要求对 PLC 的构成、原理、指令、编程软件进行学习，自主完成部分功能指令，运用仿真软件调试设计的梯形图程序，并学习电动机、变频器等原理，掌握使用方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

通过本实验，融合学习 PLC 编程、触摸屏设计、变频器、伺服电机、传感器技术，培养学生的工程意识、自主设计能力、动手实践能力，在学科交叉融合和跨界整合中综合训练学生解决复杂工程问题能力，培养新工科人才。

6. 教学设计与引导

本实验是一个综合性、设计性、实践性强的项目，要求学生学习掌握的内容较多，也有很多需要注意的地方，教师在实验教学中应在以下几个方面对学生加以引导：

1）用实例详尽讲解使用的 PLC 硬件构成，接线方法与原理，让学生从原理上掌握

PLC 输入、输出端与各种传感器、电磁阀、气动装置的接线方法。（从以往学生实践环节来看，这一环节往往对学生来说是难点）。

2）指导每组学生练习使用所需设计控制单元的传感器、电磁阀等单个器件，这些耗时少、收获大的小实验是完成编程、接线等系统设计所必须的重要环节。

3）指导学习使用 PLC 仿真软件，教会学生使用仿真软件，方便学生课堂外在没有PLC 时可进行梯形图程序的设计与调试，确保学生能够驾驭综合性强、设计性强的 PLC实验。

4）引导学生学习 PLC 的功能指令。一方面，各型 PLC 都有大量的功能指令，其中部分指令随着工业 4.0 时代到来已过时，教学中不可能对各型PLC 进行全面的、系统的学习；另一方面，学生创新实验时，设计编程要使用一些未学习过的功能指令，因此，必须引导学生首先浏览性的了解PLC 功能指令的主要分类（如数据的传送、比较、处理、运算、移位、定位、循环、通信指令），并与实践需求紧密结合，借助仿真软件边用边学，边学边用。

5）介绍编程软件、仿真软件的基本使用方法。简要说明三菱FX 系列 PLC 的部分功能指令，以及适合运用场合，要求学生根据设计要求，查找可能用到的相关指令，课堂外使用 GX Developer 编程软件及 GX Simulator 仿真软件自主学习。

6）设计之前，提示学生全面考虑问题，设计必要的安全保护环节。

7. 学生完成输入/输出点的分配，设计并调试出满足设计要求的梯形图程序后，才能进行下一步的实践环节。

8. 教师必须充分重视学生实践过程中的安全问题，系统中强弱电共存、器件多，如气动装置等可能存在安全隐患，教师不仅要多次强调，更要在学生操作中留心观察，出现状况马上进行处置。

9）在学生的实践环节中如存在问题或难点，可组织讨论，启发学生思维。

10）现场接线前，为学生介绍注意事项，尤其是通电前的电路检查方法。

11）检查学生控制方案的完成情况，用现场提问的方式考察学生分析问题、解决问题能力及存在的问题。

12）开展现场答辩，进行 ppt 汇报，实行教师、学生现场问辩，促进团队间合作，加强跨团队交流，进一步增强实验教学的效果。

7. 实验原理及方案

1）基于 PLC 的智能生产线系统结构如下图所示

2）各工作单元的主要功能

供料单元：主要由工件装料管，工件推出装置，支撑架，阀组，PLC，急停按钮和启动/停止按钮等组成。工件垂直叠放在装料管，上下部都安有传感器用于检测有无装料，根据指令控制推料气缸、顶料气缸进行工作，可把最下层工件推到物料台上。物料台上安装有用于检测的传感器。

加工单元：主要由加工台及滑动机构，加工（冲压）机构，电磁阀组，接线端口组成。滑动加工台在系统正常工作后的初始状态为伸缩气缸伸出，加工台气动手指张开的状态，当输送机构把物料送到料台上，物料检测传感器检测到工件后，PLC 控制程序驱动气动手指将工件夹紧 $\twoheadrightarrow$ 加工台回到加工区域冲压气缸下方 $\twoheadrightarrow$ 冲压气缸活塞杆向下伸出冲压工件 $\twoheadrightarrow$ 完成冲压动作后向上缩回 $\twoheadrightarrow$ 加工台重新伸出 $\twoheadrightarrow$ 到位后气动手指松开的顺序完成工件加工工序，向系统发出加工完成信号，并为下一次工件到来加工做准备。

装配单元：由管形料仓、供料机构、廻转物料台、机械手、待装配工件的定位机构、气动系统及其阀组构成，通过气动手指，完成将料仓内的黑色或白色小圆柱工件嵌入到已加工的工件中的装配过程。

分拣单元：完成将上一单元送来的已加工、装配的工件进行分拣，通过不同类别的传感器检测工件的颜色及材质，利用气动装置驱动使不同颜色及材质的工件从不同的料槽分流的功能。

输送单元：通过直线运动传动机构，驱动抓取机械手装置到指定单元的物料台上精确定位，然后在该物料台上抓取工件，并把抓取到的工件输送到指定地点放下，实现传送工件的功能。

总控单元：实现总控单元触摸屏、PLC 与其他各单元PLC 之间通过RS485 串行通讯，实现互连的分布式控制方式，主要承担数据传输与处理、发送系统主令信号、监控其他单元工作状态等任务。该单元应使整套系统实现以下智能生产功能：在总控单元中通过触摸屏预先设置订单所需要的白色和黑色工件数量，在生产过程中该单元实时检测分拣单元的产品数量，当达到订单所需的产品数量时，自动停止生产，以通过智能生产实现智能订货的目的。

8. 教学实施进程

1）实测 PLC 的外部接线，制作元件分配表。
2）编写梯形图程序，进行程序调试、修改。
3）进行控制电路和系统调试。
4）成果检验与视频拍摄。
5）撰写报告、制作 PPT 并答辩。

9. 实验报告要求

1）实验内容（设计任务）。
2）系统工作原理。
3) 实验仪器设备及选用的元器件（型号、名称、相关参数、功能说明等）。
4）画出控制系统的框图。
5）PLC 的 I/O 点的分配。
6）画出设计梯形图（含注释、注解等）。
7）控制系统的完整接线图设计。
8）系统调试过程说明。
9）总结分析与心得体会。
10）进一步完善控制系统的设想。

10.考核要求与方法（限 300字）

1）综合实验报告（占 $2 0 %$ ）：主要考核报告的规范性与完整性，包括设计的梯形图通过监控、仿真检验是否达到预定预期目标；接线电路图的完整性和规范性、保护环节

的设计是否满足要求；实验过程和结果的描述是否逻辑分明、层次清晰。

2）实验效果（占 $4 0 %$ ）：现场考察设计目标的完成情况。

3. 组织答辩与讨论（占 $4 0 %$ ）：通过 PPT 的制作、视频演示（配解说）、答辩环节考察对原理、实验设备、元器件的掌握及分析问题能力、创新实践能力和综合素质。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150字）

1. 实验兼具综合性、工程性，应用气动控制、机械、传感器、PLC 控制和组网等技术，以工科与其他学科的交叉融合促进边学习、边实践，培养工程能力强、综合素质高的新工科人才。

2. 实验具有灵活性、扩展性，由模块化实验综合而成，可根据不同专业学生或实验学时灵活取舍，进行不同的组合与调整设计实验，还可扩展为创新实验。

实验案例信息表