工業(yè)自動化多功能實驗教學(xué)平臺開發(fā)

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摘要：為滿足自動化課程由入門到精講的漸進式實驗教學(xué)需要，開發(fā)出占用空間小、功能全面、性能穩(wěn)定的工業(yè)自動化多功能控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺。該實驗教學(xué)平臺分為PLC與模擬量擴展模塊區(qū)、現(xiàn)場總線信號采集器區(qū)等12個區(qū)，涉及PLC、PLCRS485通信擴展板、步進電機等32種元器件。作為實例，給出電壓輸入模擬量控制伺服調(diào)速實驗的電氣原理圖和控制程序。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動化；多功能控制；實驗教學(xué)平臺

良好的實驗實訓(xùn)平臺是學(xué)習(xí)工業(yè)自動化類課程的重要保障。一個自動化實驗教學(xué)平臺，不但要能開設(shè)一般實驗項目，還要方便追蹤學(xué)習(xí)進程，并隨著課程的深入，開設(shè)更復(fù)雜、難度更高的實驗項目，滿足自動化實驗教學(xué)由入門到精講的一系列漸進式課程的實驗教學(xué)。以往的專業(yè)實驗教學(xué)平臺占用空間大、更換元器件困難，無法依據(jù)教學(xué)需求進一步開發(fā)。基于此，自動化與智能控制技術(shù)項目團隊依據(jù)職業(yè)技術(shù)教育的特點，開發(fā)出占用空間小、功能全面、性能穩(wěn)定的工業(yè)自動化多功能控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺［1］。

1實驗平臺的框架設(shè)計及選型

為使學(xué)生能循序漸進地了解實驗內(nèi)容，工業(yè)自動化多功能控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺涵蓋從簡單的入門級單機、單進程實驗，到難度較大的聯(lián)機、聯(lián)網(wǎng)、多進程實驗［2－3］。該平臺的實驗項目均來自實際工程項目，由較有代表性的項目經(jīng)簡化或小型化演變而來。設(shè)備上采用香蕉插頭連線方式，以節(jié)約線材和更加充分地利用教學(xué)時間，進行多樣或者重復(fù)性的實驗。工業(yè)自動化多功能控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺采用通信模塊的目的是為了便于擴展連接多臺支持CSMA／CD、RS485的通信設(shè)備，彌補自動化實驗教學(xué)設(shè)備在通信教學(xué)上的不足；添加支持MODBUS通信協(xié)議的總線設(shè)備也是為了彌補在自動化實驗教學(xué)上對現(xiàn)場總線的教學(xué)的缺失。而作為一個完整的流程型中大型自動化生產(chǎn)線，總線設(shè)備是非常重要的一環(huán)，是學(xué)生必須掌握的知識。此設(shè)備平臺在自動化教學(xué)的完整性和實用性方面也是一種新的嘗試。該實驗教學(xué)平臺分為12個區(qū)，分別是電源與電源控制區(qū)、PLC與模擬量擴展模塊區(qū)、伺服驅(qū)動器區(qū)、觸摸屏區(qū)、現(xiàn)場總線信號采集器區(qū)、伺服電機與絲桿模組區(qū)、步進電機與同步帶輪及編碼器區(qū)、變頻器與電位器區(qū)、步進驅(qū)動區(qū)、電源狀態(tài)顯示區(qū)、信號輸出指示區(qū)、信號輸入?yún)^(qū)，涉及的元器件有漏電開關(guān)、電壓電流表、開關(guān)穩(wěn)壓電源、可編程邏輯控制器（PLC）、可編程邏輯控制器模擬量擴展模塊、PLCRS485通信擴展板、伺服驅(qū)動器、觸摸屏、固態(tài)繼電器、現(xiàn)場總線1A＋2D信號采集模塊、伺服電機、絲桿滑塊模組、步進電機、同步帶與同步輪、編碼器、變頻器、電位器、步進驅(qū)動器、紅色LED指示燈、綠色LED指示燈、綠色無自鎖按鈕、綠色有自鎖按鈕、電阻型溫度傳感器、電偶型溫度傳感器、霍爾開關(guān)、光電開關(guān)等32種自動化教學(xué)需要用到的元器件。這些元器件都可以通過香蕉插頭方便地進行布線連接。按照紅色電源正極、黑色負極、綠色信號的原則選用導(dǎo)線與插頭并進行區(qū)分，可以更直接地體現(xiàn)各個元器件間的相互關(guān)系，有利于學(xué)生理解電路原理。該臺面上的接口均為弱電接口，并加有漏電保護裝置；系統(tǒng)總功率不超過500W。實驗教學(xué)平臺（見圖1）已獲專利授權(quán)。

2可進行的實驗項目

2．1實驗類型

在實驗教學(xué)平臺所包含12個區(qū)中，每個區(qū)都可以進行獨立實驗或者關(guān)聯(lián)實驗。主要可分為以下6類實驗：（1）按鍵反饋及人機交互類實驗：進行人機工程交互界面設(shè)計；（2）運動控制類型實驗：進行伺服／步進電機的定位和速度控制；（3）模擬量傳輸類實驗：進行PID恒溫控制；（4）本地及遠程類實驗：進行TCP／IP協(xié)議或CS－MA／CD協(xié)議聯(lián)機；（5）工業(yè)通信類實驗：進行MODBUS通信；（6）現(xiàn)場總線類實驗：進行模擬／數(shù)字信號的遠程讀?。杉?。為便于實驗教學(xué)指導(dǎo)，實驗教學(xué)平臺各區(qū)的接口都有清晰的指示符，學(xué)生可以很方便地找到設(shè)計的輸入／輸出端口。

2．2拓展實驗的意義

在進行工業(yè)自動化多功能控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺設(shè)計時，通信是著重考慮的內(nèi)容［4］。該實驗教學(xué)平臺選用市場占有率較高的產(chǎn)品，如支持以太網(wǎng)通信的S7－200SMART，可編程邏輯控制器（PLC）。此外，該實驗教學(xué)平臺引用了物聯(lián)網(wǎng)概念，伺服驅(qū)動器、變頻器、遠端數(shù)據(jù)采集模塊、觸摸屏組態(tài)等也具備RS485電氣特性，步進驅(qū)動器可支持RS232電氣特性以及多個支持MODBUS協(xié)議的傳感器，這使得實驗教學(xué)平臺在進行多臺聯(lián)機使用的情況下，可以進行復(fù)雜的設(shè)備現(xiàn)場總線／物聯(lián)網(wǎng)的搭建。

3教學(xué)實驗應(yīng)用

3．1實用性應(yīng)用

實驗教學(xué)平臺選用了多種類型的傳感器，如開關(guān)型傳感器、電壓型傳感器、電流型傳感器、PNP型傳感器、NPN型傳感器、遠程自帶協(xié)議型傳感器等。多種類型傳感器的選用，豐富了授課及實踐內(nèi)容的知識面?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）采用了支持以太網(wǎng)的設(shè)備，雖然短期會受到通信環(huán)境及硬件兼容性方面的限制，但是可以滿足今后物聯(lián)網(wǎng)向自動化控制方向的延伸發(fā)展，使得學(xué)生能緊跟行業(yè)發(fā)展的步伐，總體上還是利大于弊。由于一些較復(fù)雜的中大型自動化工程的技術(shù)重點往往是工業(yè)通信技術(shù)，所以實際通信技術(shù)應(yīng)用也是自動化課程實驗教學(xué)的重點和難點。實驗教學(xué)平臺被設(shè)計成可以搭建成一個完整的自動化控制的實體控制系統(tǒng)，將教學(xué)與應(yīng)用結(jié)合起來，從控制到執(zhí)行構(gòu)成一個整體，也可控制與執(zhí)行分離［5－6］總之，該實驗教學(xué)平臺支持工業(yè)通信實驗，且引入底層的工業(yè)通信方式及使用方法，從而讓學(xué)生掌握工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的理念、產(chǎn)品選型等知識與技能。

3．2典型性應(yīng)用

實驗實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)在工業(yè)自動化課程教學(xué)中具有重要作用，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力、新技術(shù)應(yīng)用441實驗技術(shù)與管理開發(fā)能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神［7］。工業(yè)自動化多功能控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺能開設(shè)的實驗實訓(xùn)項目具有典型性，均為生產(chǎn)過程的典型案例。

4設(shè)計總結(jié)

工業(yè)自動化多功能控制系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺可以進行PLC編程、變頻調(diào)速、伺服精準(zhǔn)控制、步進控制等多項工業(yè)自動控制實驗，為自動化類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了實用、夠用的綜合性實驗實訓(xùn)的平臺。通過該平臺的開發(fā)與設(shè)計，教師的職業(yè)技能與開發(fā)設(shè)計能力也得到提高。

參考文獻

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［8］劉吟，基于S7－200PLC實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］．南京：南京理工大學(xué)，2007．

作者:陳勝利 包曉霖 單位:河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院