工業(yè)自動(dòng)化多功能實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)

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摘要：為滿足自動(dòng)化課程由入門到精講的漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)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(dòng)化多功能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)分為PLC與模擬量擴(kuò)展模塊區(qū)、現(xiàn)場總線信號(hào)采集器區(qū)等12個(gè)區(qū)，涉及PLC、PLCRS485通信擴(kuò)展板、步進(jìn)電機(jī)等32種元器件。作為實(shí)例，給出電壓輸入模擬量控制伺服調(diào)速實(shí)驗(yàn)的電氣原理圖和控制程序。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動(dòng)化；多功能控制；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

良好的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是學(xué)習(xí)工業(yè)自動(dòng)化類課程的重要保障。一個(gè)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不但要能開設(shè)一般實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還要方便追蹤學(xué)習(xí)進(jìn)程，并隨著課程的深入，開設(shè)更復(fù)雜、難度更高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)由入門到精講的一系列漸進(jìn)式課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以往的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)占用空間大、更換元器件困難，無法依據(jù)教學(xué)需求進(jìn)一步開發(fā)?；诖?，自動(dòng)化與智能控制技術(shù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依據(jù)職業(yè)技術(shù)教育的特點(diǎn)，開發(fā)出占用空間小、功能全面、性能穩(wěn)定的工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［1］。

1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的框架設(shè)計(jì)及選型

為使學(xué)生能循序漸進(jìn)地了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)涵蓋從簡單的入門級(jí)單機(jī)、單進(jìn)程實(shí)驗(yàn)，到難度較大的聯(lián)機(jī)、聯(lián)網(wǎng)、多進(jìn)程實(shí)驗(yàn)［2－3］。該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均來自實(shí)際工程項(xiàng)目，由較有代表性的項(xiàng)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(shí)間，進(jìn)行多樣或者重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)。工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用通信模塊的目的是為了便于擴(kuò)展連接多臺(tái)支持CSMA／CD、RS485的通信設(shè)備，彌補(bǔ)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)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(bǔ)在自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)上對(duì)現(xiàn)場總線的教學(xué)的缺失。而作為一個(gè)完整的流程型中大型自動(dòng)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(shí)。此設(shè)備平臺(tái)在自動(dòng)化教學(xué)的完整性和實(shí)用性方面也是一種新的嘗試。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)分為12個(gè)區(qū)，分別是電源與電源控制區(qū)、PLC與模擬量擴(kuò)展模塊區(qū)、伺服驅(qū)動(dòng)器區(qū)、觸摸屏區(qū)、現(xiàn)場總線信號(hào)采集器區(qū)、伺服電機(jī)與絲桿模組區(qū)、步進(jìn)電機(jī)與同步帶輪及編碼器區(qū)、變頻器與電位器區(qū)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)區(qū)、電源狀態(tài)顯示區(qū)、信號(hào)輸出指示區(qū)、信號(hào)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(kuò)展模塊、PLCRS485通信擴(kuò)展板、伺服驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏、固態(tài)繼電器、現(xiàn)場總線1A＋2D信號(hào)采集模塊、伺服電機(jī)、絲桿滑塊模組、步進(jìn)電機(jī)、同步帶與同步輪、編碼器、變頻器、電位器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jìn)行布線連接。按照紅色電源正極、黑色負(fù)極、綠色信號(hào)的原則選用導(dǎo)線與插頭并進(jìn)行區(qū)分，可以更直接地體現(xiàn)各個(gè)元器件間的相互關(guān)系，有利于學(xué)生理解電路原理。該臺(tái)面上的接口均為弱電接口，并加有漏電保護(hù)裝置；系統(tǒng)總功率不超過500W。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（見圖1）已獲專利授權(quán)。

2可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2．1實(shí)驗(yàn)類型

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)所包含12個(gè)區(qū)中，每個(gè)區(qū)都可以進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)或者關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)。主要可分為以下6類實(shí)驗(yàn)：（1）按鍵反饋及人機(jī)交互類實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行人機(jī)工程交互界面設(shè)計(jì)；（2）運(yùn)動(dòng)控制類型實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行伺服／步進(jìn)電機(jī)的定位和速度控制；（3）模擬量傳輸類實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行PID恒溫控制；（4）本地及遠(yuǎn)程類實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行TCP／IP協(xié)議或CS－MA／CD協(xié)議聯(lián)機(jī)；（5）工業(yè)通信類實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行MODBUS通信；（6）現(xiàn)場總線類實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行模擬／數(shù)字信號(hào)的遠(yuǎn)程讀取／采集。為便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(jì)的輸入／輸出端口。

2．2拓展實(shí)驗(yàn)的意義

在進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，通信是著重考慮的內(nèi)容［4］。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)引用了物聯(lián)網(wǎng)概念，伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、遠(yuǎn)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(jìn)驅(qū)動(dòng)器可支持RS232電氣特性以及多個(gè)支持MODBUS協(xié)議的傳感器，這使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在進(jìn)行多臺(tái)聯(lián)機(jī)使用的情況下，可以進(jìn)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(shí)驗(yàn)應(yīng)用

3．1實(shí)用性應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(yuǎn)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(shí)踐內(nèi)容的知識(shí)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(huì)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(dòng)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(dòng)化工程的技術(shù)重點(diǎn)往往是工業(yè)通信技術(shù)，所以實(shí)際通信技術(shù)應(yīng)用也是自動(dòng)化課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)被設(shè)計(jì)成可以搭建成一個(gè)完整的自動(dòng)化控制的實(shí)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(gè)整體，也可控制與執(zhí)行分離［5－6］總之，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)支持工業(yè)通信實(shí)驗(yàn)，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(jì)的理念、產(chǎn)品選型等知識(shí)與技能。

3．2典型性應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)在工業(yè)自動(dòng)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(jì)能力、新技術(shù)應(yīng)用441實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理開發(fā)能力、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神［7］。工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能開設(shè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目具有典型性，均為生產(chǎn)過程的典型案例。

4設(shè)計(jì)總結(jié)

工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以進(jìn)行PLC編程、變頻調(diào)速、伺服精準(zhǔn)控制、步進(jìn)控制等多項(xiàng)工業(yè)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，為自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了實(shí)用、夠用的綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的平臺(tái)。通過該平臺(tái)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，教師的職業(yè)技能與開發(fā)設(shè)計(jì)能力也得到提高。

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