将竞赛选拔题应用于专业课中助学生成才

摘 要： 教师要重视竞赛选拔题，可视化自动生产线在设计、调试过程中要做到循序渐进，使得学生更容易掌握典型自动生产线设计、调试的一般过程，将条件复杂的竞赛题灵活简便典型化后应用于教学中，使广大学生在学习中得到提升，学会复杂问题可视化处理流程，助学生更快地成才。

关键词：竞赛；教学；自动生产线；人才培养

一、前言

2012年穗港澳青年技能竞赛机电一体化项目广州选拔赛，采用自动生产线实训装备是一台由供料、搬运、分拣等工作单元构成一个典型的自动生产线的实训平台，系统各机构采用了电动、气动、变频器驱动等技术。竞赛中，选手因各种原因，在调试过程中经常出现中断，甚至有的选手程序设计不合理，造成多个动作同时执行，使得设备在运行过程中出现碰撞的危险。程序中断后需要手动操作机械机构才能复位，既消耗了选手宝贵的比赛时间，又在一定程度上加大了设备的损耗。

本设计基于以上因素，模拟竞赛过程，使学生在课堂得到一个非常接近于实际的竞赛设备环境，通过教学设计使广大学生体会设计流程，从而缩短了竞赛、理论教学与实际应用之间的距离。

可视化设计教学从自动生产线的设计、调试过程选取典型的循序渐进，从手动、单步、单周期逐步进行调试，设置的典型的生产流程，再由学生采用容易掌握指令设计自动生产线在设计、调试的一般过程，采用对比方式教学，逐渐增加控制的实用性，例如急停功能，最后达到竞赛选拔题设置的难度及控制要求，活学活用并学以致用。

二、可视化设置教学设计中自动化生产线系统基本要求及典型解决例程

1. 系统基本控制要求

系统启动前需进行复位，满足原点后按下启动按钮，系统开始运行，送料电机驱动放料盘旋转，物料充足的情况下，工件由送料槽滑到物料提升台，物料检测光电传感器检测到物料滑到提升台上时，转盘停止转动。提升台上升，机械手手臂伸出下降，气指夹紧抓物，然后提升回缩，手臂向右旋转到右限位，手臂伸出下降，气指放松将物料放到传送带上，机械手返回原位。传送带输送物料，传感器则根据物料性质和颜色（金属和非金属白色、非金属蓝色），控制相应的气缸动作，将工件推下相应料槽，对物料进行分拣。提升台下降，完成一次流程。

2. 提出可视化改进设置要求及典型解决例程

除按照上述流程实现自动循环运行外，系统增加手动控制、一次运行和单步运行三种运行模式，以及缺料报警，遇到紧急情况下急停、运行状态指示等功能。通过增加控制的模式，使学生在编程、调试过程中能更接近实际生产中设备的调试过程，加深对PLC控制系统的认识。

（1）设置基本模式运行要求。

手动：每个执行器有一个按钮控制，按相应的按钮通断控制这个执行器就开始动作。

回原点：启动回原点程序后，所有执行器按照顺序收缩，最终回到起始位置。

单步：按一下启动按钮就启动一个执行器，动作完毕就停止，不再激活下一个执行器，除非再按一次按钮，总之每按一次按钮就动作一个执行器，并且是按照正常工作的顺序一个一个顺序启动。只是动作完成一个则需要再按一次启动按钮才能执行下一个动作。

单周期：启动程序后顺序执行每个动作，动作完最后一个后停止，不再循环。

连续：启动后按顺序一个个动作执行，执行完最后一个动作后再返回第一个再……直到按停止按钮。

（2）提出改进后的模式运行要求。

①手动控制。每一个动作由触摸屏上的按钮控制，所有手动按钮设置在一个页面上。

②原点条件。供料单元：放料盘处于非旋转状态，提升气缸处于下限位置，没有缺料报警；机械手搬运单元：横臂靠近供料单元，竖臂处于上限位置，气抓放松；分拣单元：推杆一、推杆二、推杆三均处于缩回位置，传输带停止运行；指示灯：不符合原点条件，黄灯熄灭，符合原点条件，黄灯长亮。

③缺料报警。如物料不足，送料电机驱动放料盘旋转5秒内仍然无法补充工件到物料提升台，系统自动停机，加料后重新启动需通过复位解除缺料报警。指示灯：缺料报警期间黄灯闪亮（0.5秒亮，0.5秒灭），解除缺料报警后黄灯闪亮消失。

④复位。如果系统不符合原件条件，可通过手动控制各个动作复位，也可自动复位。自动复位：按下复位按钮（黄色），系统将按照原点条件的要求进行有序复位，解除缺料报警。指示灯：复位完成后，黄灯长亮。

⑤停止。1）正常停机：正常停机时，按下停止（红色）按钮，系统完成本次程序后停止。指示灯：系统在正常停机（不包括急停）状态下，红灯长亮。2）紧急停机：按下急停按钮，系统紧急停机，所有动作停止，保持当时的状态，如继续运行，松开急停按钮，系统接着急停前的状态继续运行。指示灯：急停锁定时，红、绿灯交替闪烁（0.5秒红灯亮绿灯灭，0.5秒红灯灭绿灯亮）解除急停后，红绿灯交替闪烁消失。

⑥运行模式。系统要求有手动操作、自动循环运行、一次运行和单步运行四种模式。

⑦整体控制要求。1）在满足原点条件下，按启动按钮，系统开始工作。如不满足原点条件，需按下复位按钮，让系统满足原点条件后才能启动。指示灯：正常工作过程中绿灯长亮，黄灯、红灯熄灭。2）送料电机驱动放料盘旋转，补充工件到物料提升台。工件滑到提升台后，转盘停止转动；1秒钟后物料提升台上升。如物料不足，无法在5秒内补充工件到物料提升台，系统自动停机，并发出缺料报警信号。3）机械手手臂伸出，伸出到位后手臂下降。4）气指夹紧，抓住工件，1秒钟后机械手臂上升，上升到位后向右旋转到右限位。5）机械手手臂向前伸出，手爪下降，气指放松，工件下落至传输带上。6）机械手手爪上升，手臂向后缩回，左旋转到左限位。7）传输带落料检测光电传感器检测到工件在传输带上，传输带电机以高速正转。当电感式传感器检测到金属工件，传送带停止运行，1#推料气缸伸出，把工件推入第一条槽内；当颜色检测传感器检测到白色工件，传送带停止运行，2#推料气缸伸出，把工件推入第二条槽内；当电容传感器检测到蓝色工件，传送带停止运行，3#推料气缸伸出，把工件推入第三条槽内。8）推料气缸伸出1秒后回缩，回缩到位后物料提升台下降到下限位，完成本周期工作。

3. 可视化自动生产线控制设计教学典型环节

（1）手动模式。选择开关拨到手动方式这一挡时（或通过触摸屏按钮进入手动控制界面），状态继电器S5为ON，由图1可知，按下提升台升/降按钮，M31闭合，指令使Y10接通，Y10输出信号使电磁阀线圈得电，提升台升高。同样，可完成机械手前伸、后缩、夹紧、松开、上升、下降、右转、左转、传送带启停、推料杆伸/缩等动作。

（2）原点条件。如图2所示，

如果系统满足原点条件，使得原

点标志位M1得电，系统进入准备状态，等待单步、单周期、自动循环等进一步的操作。如不能满足原点条件，M1不能得电，需要运行回原点程序。这样，能有效地防止程序在设备没有回到原点的情况下运行而造成程序运行混乱。

图2 原点条件

图3 流程初始状态

（3）回原点。流程初始状态如图3，当拨到回原点方式时（PLC输入端为X0，触摸屏输入端为M21），因状态继电器S1为ON，执行到复位程序段（见图4）。先复位Y007至Y022，所有电动设备停止，单作用气缸复位，但双作用气缸还需进一步处理，根据条件判断机械手的位置， 不在原点位置的按序复位，完成回原点动作后，M1得电。

（4）单步。如图5，当拨到单步这一挡时（PLC输入是X005，触摸屏M22），使M8040接通，禁止所有状态转移。但是，每次按下启动按钮时，M8040失电，可以使状态按顺序转移一步，即按状态流程图完成一步动作。

（5）单周期。如图6，当拨到单周期这一挡时（PLC输入是X004，触摸屏M23），系统完成一个循环工作后，因转移条件即停止工作，相当在系统运行过程中按下停止按钮，自锁断开，M0失电，不能循环，只能完成单周期运行。

（6）急停功能。为了使急停发生后，系统停止工作而状态保持，以便急停复位后能从急停前的断点开始继续运行，可以用二种方法，一是用条件跳转（CJ）指令实现，另一方法是用主控指令实现。这里暂且只讨论用跳转（CJ）指令实现的方法。

用条件跳转指令实现急停信号的处理的程序示意图如图7所示。图中，当急停按钮按下时，X003 OFF，跳转指令执行条件满足，程序跳转到指令所指定的指针标号P0开始执行。安排在跳转指令后面的步进顺控程序段被跳转而不再执行。

图7 用条件转移指令实现急停处理的程序示意

由于执行CJ指令后，被跳转部分程序将不被扫描，这意味着，跳转前的输出状态（执行结果）将被保留，步进顺控程序段的状态将被保持，直到急停按钮复位后又继续工作。但须注意的是，如果急停恰好发生在Y7得电（供料转盘电机转动），则需要在此设置使得Y7复位（供料转盘电机停止转动），解除急停后，Y7将保持原来的状态。同理传送带（Y0和Y1）也需要同样的设置。程序跳转后，因此需要在FEND指令与END指令之间加上第281-292步的程序段。

急停按钮未按下时，X003 ON，程序按顺序执行，直到主程序结束指令FEND为止。

三、系统调试

完成梯形图编写后，在单步调试完成后进行单周期测试，通过单步调试的设备在单周期和自动循环模式，最后在自动循环模式下运行，测试系统稳定性。通过逐步调试，能有效减少设备的损耗，同时提高设备调试的效率。

四、结束语

在本文中主要完成了以下几个方面可视化设计教学的典型控制：

1. 初步构建自动加工系统的总体结构，研究系统的硬件结构

自动加工系统的回原点、单步、单周期、自动循环运行等几种常见运行模式。

2. 采用组态软件和MELSOFT系列GX Developer软件，完成上位机监控界面设计、下位机梯形图编程等任务

通过竞赛选拔题在教学中的再现，能更加贴近企业生产中的真实工作环境，使学生可以在这种环境中更好地完成各项任务，缩小竞赛、教学实训与企业实际生产的差距，力求学生毕业后到企业能够最快地适应生产环境，高质量完成工作任务。

参考文献：

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