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摘要：本文針對現(xiàn)有實驗教學(xué)設(shè)備采用單工位設(shè)計，且體積偏大，可訓(xùn)練的實驗項目少，綜合性不強等問題，設(shè)計創(chuàng)新型模塊化雙工位電氣控制與PLC綜合實驗平臺。實驗平臺可擴展性強，適應(yīng)課程實踐性和應(yīng)用性強等特點，滿足實際教學(xué)需求，能有效提升學(xué)生的工程實踐能力。該平臺在實際教學(xué)中取得了良好效果，具有推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：模塊化；雙工位；實驗平臺；PLC

《電氣控制與PLC技術(shù)》作為電氣控制類專業(yè)一門重要的課程，需要通過開放式的創(chuàng)新實踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。目前，許多高校該課程使用的實驗教學(xué)設(shè)備都是單工位設(shè)計，也就是一臺實驗設(shè)備同時只能供一組學(xué)生訓(xùn)練使用。實驗平臺為了能完成多個綜合性實訓(xùn)項目，需要配備多個實驗?zāi)K，如果把實際訓(xùn)練的項目模塊都安裝到實驗臺上，就會導(dǎo)致實驗平臺體積過大。而且，一旦需要增加或者更換實訓(xùn)項目，原有設(shè)備很難改造，只能重新購置。為了解決以上問題，設(shè)計一種雙工位模塊化綜合型實驗平臺十分必要。本文設(shè)計的實驗平臺可以滿足兩組學(xué)生同時在一套實訓(xùn)平臺上完成相同或者不同的實訓(xùn)項目。模塊化的組合設(shè)計方式，在需要增加或者更換實驗實訓(xùn)項目時，只需要替換個別模塊即可，顯著提高了實驗室及實驗設(shè)備利用率。

1綜合實驗平臺整體方案設(shè)計

本文提出設(shè)計的PLC綜合實驗平臺主要采用雙工位、模塊化的設(shè)計思想，平臺整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。實驗平臺總體結(jié)構(gòu)包括：實驗臺臺架、左/右單人操作工位（雙工位設(shè)計）、電源模塊、PLC輸入輸出接線區(qū)、模塊化實驗掛箱等。

（1）實驗臺臺架及整體結(jié)構(gòu)。實驗臺上方左右兩側(cè)各安裝一個西門子S7-200SMARTPLC及擴展模塊，PLC下方為輸入部分接線端及操作控制區(qū)。整個實驗臺正面中間區(qū)域為三個實驗?zāi)K位置，以掛箱的形式排列。PLC輸出部分的接線區(qū)位于掛箱位下方，實驗臺面下方四個空格作為實驗?zāi)K掛箱以及其他被控對象放置區(qū)域。兩側(cè)分別作為兩個工位電腦主機放置區(qū)，同時，該工位交換機也安裝于該區(qū)域，用于將編程電腦、S7-200SMARTPLC以及其他以太網(wǎng)通信設(shè)備連成局域網(wǎng)，電腦顯示器置于實驗平臺臺面上。

（2）實驗掛箱模塊。根據(jù)實驗內(nèi)容的不同，分為擔(dān)任操作實驗和雙人操作實驗，而不同的實驗內(nèi)容需要選擇不同的實驗掛箱，因此，掛箱模塊也分為兩類：單人操作掛箱和雙人操作掛箱。對需要單人操作的實驗而言，實驗平臺上需配備兩個相同的單人操作掛箱，放置于模塊1和模塊3位置，對應(yīng)的實驗為一人一組，方便兩人同時完成相同的實驗項目。而對于雙人操作掛箱配備一個即可，放置于模塊2位置，對應(yīng)的實驗為兩人一組，合作完成。為配合正常實驗教學(xué)，設(shè)計部分掛箱。單人操作的實驗掛箱主要包括LED彩燈模塊、物料分揀模塊、十字路通燈模塊、多級輸送機模塊。雙人操作實驗掛箱包括：溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)模塊、步進(jìn)電機驅(qū)動控制實驗?zāi)K、變頻調(diào)速實驗?zāi)K（配置西門子G120C變頻器）等。根據(jù)實際實訓(xùn)需要再行增加。

（3）其他模塊與被控對象。其他模塊包括：觸摸屏實驗箱（配備SIMATICHMISmart700IEV3觸摸屏）、西門子S7-1500PLC實驗箱（配備SIMATICS7-1500PLC以及帶通訊功能智能溫控儀表）等。其中，觸摸屏安裝于實驗箱內(nèi)面板內(nèi)，引出RS485以及以太網(wǎng)接口，便于通信。實驗箱采用交流220V電源供電，實驗箱內(nèi)安裝直流24V輸出的開關(guān)電源，并設(shè)置單獨電源開關(guān)。便攜式的觸摸屏實驗箱不用時，置于實驗臺下面實驗?zāi)K放置區(qū)內(nèi)，實驗時取出連接電源和以太網(wǎng)即可使用。西門子S7-1500PLC實驗箱同樣設(shè)計成手提箱形式，CPU選用S71511C-1PN（集成16點數(shù)字量輸入、16點數(shù)字量輸出；5點模擬量輸入，2路模擬量輸出）。實驗箱供電電源與觸摸屏實驗箱一樣。此外，實驗箱還集成了帶通訊功能的智能溫控儀表（該儀表帶數(shù)字顯示，自帶PID溫度控制功能，可以通過RS232/485通訊輸出，用于模擬工業(yè)現(xiàn)場儀表控溫場景），S7-1500PLC以及智能儀表均需安裝在實驗箱內(nèi)，且所有輸入輸出以及通信端接口均引出至面板專用端子座上。被控對象包括變頻調(diào)速實驗?zāi)K的控制對象三相異步電機（配備轉(zhuǎn)速傳感器）以及西門子V90伺服驅(qū)動器及4配套伺服電機。由于被控對象之間互相獨立，實驗實訓(xùn)過程中，如有新的需求，可以繼續(xù)增加。

（4）安全性設(shè)計。本綜合實驗平臺按照國標(biāo)要求，設(shè)置可靠接地，在實驗平臺的電源輸入端設(shè)有電流型漏電保護裝置，具備完善的人身安全和設(shè)備安全保護功能。平臺設(shè)有過載保護功能，操作過程中，當(dāng)線路發(fā)生故障，電壓或電流超過設(shè)定值，保護電路瞬間啟動，能確保設(shè)備和實驗操作人員的安全。實驗臺加裝不間斷電源（UPS），給編程電腦單獨供電，既可以避免編程過程中突然斷電造成程序丟失，也可以防止實驗結(jié)束后而電腦尚未關(guān)機前，學(xué)生手動切斷電源開關(guān)，給電腦主機硬盤造成損傷。

2綜合實驗平臺特點及實驗教學(xué)中的應(yīng)用

本實驗平臺可以作為電氣工程及其自動化、自動化等相關(guān)專業(yè)實驗課程以及實踐項目的綜合實訓(xùn)平臺。平臺具有以下特點。

（1）采用雙工位結(jié)構(gòu)，一臺設(shè)備雙工位使用，能夠滿足兩組學(xué)生同時在一套實訓(xùn)平臺上做不同或者相同的實訓(xùn)項目，提高實驗室及實驗設(shè)備利用率。原來需要分兩批進(jìn)行的實驗，現(xiàn)在一批就可以完成，減少了實驗分批，降低了實驗教師的重復(fù)工作量。

（2）實訓(xùn)內(nèi)容相關(guān)的對象采用模塊化掛箱結(jié)構(gòu)，通用性強，易于擴展。模塊化的實驗平臺，保證實驗室內(nèi)多個實驗臺之間的模塊可以互相通用。每個實驗?zāi)K都配有備用掛箱，如有模塊發(fā)生故障，直接備用替換即可。此外，在實驗和創(chuàng)新設(shè)計中，如果現(xiàn)有的模塊無法滿足要求時，教師和學(xué)生可以自行設(shè)計并增加。

（3）多個模塊可以靈活組合，也為學(xué)生提供了創(chuàng)新性設(shè)計的平臺，除課程基本實驗項目外，學(xué)生可以根據(jù)自己的構(gòu)思自主創(chuàng)新，設(shè)計出新的實踐實訓(xùn)項目。每增加一個新模塊，都能開拓新的設(shè)計性項目，最大程度地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。

（4）實驗平臺預(yù)留以太網(wǎng)、RS485/RS422通訊接口，可以靈活地與觸摸屏、S7-1500/1200PLC、智能儀表等其他設(shè)備通信，這也大大增加了外接設(shè)備的可擴展性，有效提高了實驗設(shè)備及實驗室的使用效率。

（5）實驗臺電器的控制線路和元器件都安裝在控制模塊的掛箱面板上，操作方便，易于更換，各模塊部件敞開性好，有利于加深學(xué)生的感性認(rèn)識；掛箱面板各功能模塊的布局設(shè)計考慮了實驗時的接線順序，學(xué)生易于接受；平臺帶有抽屜和儲藏柜，可以方便地存放掛箱模塊、工具資料。平臺自設(shè)計研制，經(jīng)過不斷改進(jìn)和優(yōu)化，已服務(wù)實驗教學(xué)。通過該平臺能夠完成的實訓(xùn)內(nèi)容主要包括：基于PLC的數(shù)字量控制實驗項目、基于PID的溫度控制等模擬量控制實驗項目、變頻調(diào)速以及步進(jìn)電機驅(qū)動等運動控制實驗項目與HMI觸摸屏以及其他西門子PLC通信實驗項目等。該類課程實驗項目具有設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性等特點。作為電氣控制與PLC技術(shù)、可編程邏輯控制器等課程的實驗實訓(xùn)設(shè)備，該實驗平臺服務(wù)于自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)本科生實驗教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等。能滿足機電控制類專業(yè)工程實訓(xùn)要求，可推廣到國內(nèi)其他普通高校，作為相關(guān)課程實驗實訓(xùn)平臺，還可以作為技能培訓(xùn)中心或者高職院校技能培訓(xùn)考核的平臺。

3結(jié)語

本綜合實驗平臺基于創(chuàng)新型模塊化雙工位的設(shè)計理念，適應(yīng)以電氣控制與PLC為主的多門課程教學(xué)和實驗的需要，可以有效地改善實驗教學(xué)條件，提高教學(xué)效果。平臺采用模塊化設(shè)計，單個模塊，既可單獨完成某個實驗，也可互相配合完成復(fù)雜的綜合性、創(chuàng)新性實驗，大大提高了實驗室及實驗設(shè)備的利用率。該平臺實用性強，教學(xué)效果好，有助于提升學(xué)生的工程實踐能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，具有良好的推廣使用價值。

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作者：蔡曉磊 單位：江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院