近年来, 气动传动已同机电传动和液压传动一样成了实现生产过程自动化*的重要手段。长期以来, 由于可编程控制器( PLC) 具有可靠性高、组态灵活、抗干扰能力强、通用性好以及使用简便等优点, 在工业控制领域的应用越来越广泛。流体传动与控制是一门特殊的工业技术, 为机械专业的学生安排PLC 与气动技术组合的课程十分必要, 而与之配套的实验教程将是辅助教学的较好途径。我们利用气动元件和PLC 控制器等装置构建了一台基于PLC 的气动控制实验台。通过在该实验台上所进行的一系列操作可展现PLC 在气动控制中的实际应用。对于实践性很强的流体传动专业课程来说, 借助相关实验台, 帮助学生运用所学基础理论处理实际问题, 验证、消化与巩固课堂知识以及提高学生的综合素质都是十分必要的。
1、气动控制原理

气压传动与控制技术简称气动控制技术, 它是指以压缩空气为工作介质来进行能量与信号的传递, 以实现生产过程机械化与自动化的一门技术,它也是流体传动与控制学科的一个重要组成部分。相对于机械传动、电传动及液压传动, 气动技术具有传输距离长、控制系统中元件结构相对简单、执行元件运行速度快、无爆炸危险等许多突出优点。正因为如此, 近年来气动控制技术已得到了迅速发展。目前, 气动技术又结合了液压、机械、电气和电子技术的众多优点, 并与它们相互补充, 已成为实现生产过程自动化的一个重要手段, 并在越来越多的工业部门得到了广泛的应用。

气动系统的控制方式有气控、电控或混合控制。采用普通继电器的控制方式不便于更改程序, 而改由可编程控制器( PLC) 控制就能够很容易地对程序进行修改。

图1 为该实验台的气动系统原理图。该实验台主要由四台标准气缸和四台电磁阀以及一套E.FEC- FC30 PLC 控制器组成。空气压缩机将空气转换成具有压力能的高压空气, 经过滤后通过管路进入各控制阀入口。PLC 控制器读取所要进行实验的操作程序, 通过控制电磁阀, 并依据左、右传感器的检测信号来控制气缸的前进与后退。由于4 台气缸是互相独立的, 实验中可以单独控制其中的一台或数台气缸运动。

图1 实验台系统原理图
2、PLC 控制系统设计

(1) 控制要求

实验过程中, 可以通过编写和修改程序来实现气缸不同的运动顺序及其方式。这里以四台气缸依次连续循环运动为例, 四台气缸按顺序依次运行一次为一个循环。在无外界干扰下, 气缸可以循环联动, 图2 为工作流程图。

图2 工作流程图

(2) I/O 选址及定义

本系统中, 四台气缸共有八个行程开关作为8个输入信号源, 这里还要用到一个计数器作为一个激活计数器的输入; 四台电磁阀作为四个输出信号源; 选用的Festo 公司E.FEC- FC30 PLC 控制器分别有12 个输入和8 个输出。系统的I /O 地址定义见表1

表1 PLC 的I /O 地址定义表

(3) PLC 控制梯形图设计

梯形图是以软件逻辑代替硬件布线来实现逻辑控制与运算等功能等。因此, 梯形图非常直观, 读起来浅显易懂, 程序修改也十分方便, 更不需要改变外部接线。编程软件系Festo 公司产品所附带的软件, 该软件应用起来方便易懂, 只需将编写好的程序下载到控制器上即可实现预期的功能。
工作过程如下: 接通电源后, 按下PLC 控制器的运行按钮, 气缸1 右行程开关即I0.1 输入为1,O0.2 输出信号为1, 即电磁阀1 线圈得电, 气源管路导通, 压缩空气进入气缸无杆腔, 气缸1 前进; 当气缸前进到zui左端时, 气缸1 左行程开关即I0.1 输入为1, 电磁阀线圈得电, 气缸1 做反程运动。当气缸1 运动一次后, 内部设置的计数器计数为1。同时,气缸2 的右行程开关I0.3 输入为1, 则输出信号O0.3 为1, 即电磁阀2 的线圈得电, 气缸2 前进。同理, 气缸2 也如同气缸1 一样运作一次。上述运行即4 台气缸的一次循环动作, 需要停止这一循环时, 只需按动PLC 控制器的运行键即可。

搭建了以PLC 为控制核心的气动控制系统, 实现了在PLC 控制下的气缸顺序动作控制。通过在该气动控制实验台上所进行的实验, 学生们能够深入理解气控回路的设计方法以及熟悉气动控制的工作原理。学生们可广开思路自己设计不同的PLC 程序, 下载到控制器令PLC 控制器控制气缸做各种各样的运动循环。与此同时, 开发基于PLC 控制的气动实验台, 可使学生通过气动系统的组装与实验,学会基本的PLC 编程技术, 同时通过自己动手设计、操作、调试等过程的训练, 提高自身的综合素质。