工业自动化多功能实验教学平台开发

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摘要：为满足自动化课程由入门到精讲的渐进式实验教学需要，开发出占用空间小、功能全面、性能稳定的工业自动化多功能控制系统实验教学平台。该实验教学平台分为PLC与模拟量扩展模块区、现场总线信号采集器区等12个区，涉及PLC、PLCRS485通信扩展板、步进电机等32种元器件。作为实例，给出电压输入模拟量控制伺服调速实验的电气原理图和控制程序。

关键词：工业自动化；多功能控制；实验教学平台

良好的实验实训平台是学习工业自动化类课程的重要保障。一个自动化实验教学平台，不但要能开设一般实验项目，还要方便追踪学习进程，并随着课程的深入，开设更复杂、难度更高的实验项目，满足自动化实验教学由入门到精讲的一系列渐进式课程的实验教学。以往的专业实验教学平台占用空间大、更换元器件困难，无法依据教学需求进一步开发。基于此，自动化与智能控制技术项目团队依据职业技术教育的特点，开发出占用空间小、功能全面、性能稳定的工业自动化多功能控制系统实验教学平台［1］。

1实验平台的框架设计及选型

为使学生能循序渐进地了解实验内容，工业自动化多功能控制系统实验教学平台涵盖从简单的入门级单机、单进程实验，到难度较大的联机、联网、多进程实验［2－3］。该平台的实验项目均来自实际工程项目，由较有代表性的项目经简化或小型化演变而来。设备上采用香蕉插头连线方式，以节约线材和更加充分地利用教学时间，进行多样或者重复性的实验。工业自动化多功能控制系统实验教学平台采用通信模块的目的是为了便于扩展连接多台支持CSMA／CD、RS485的通信设备，弥补自动化实验教学设备在通信教学上的不足；添加支持MODBUS通信协议的总线设备也是为了弥补在自动化实验教学上对现场总线的教学的缺失。而作为一个完整的流程型中大型自动化生产线，总线设备是非常重要的一环，是学生必须掌握的知识。此设备平台在自动化教学的完整性和实用性方面也是一种新的尝试。该实验教学平台分为12个区，分别是电源与电源控制区、PLC与模拟量扩展模块区、伺服驱动器区、触摸屏区、现场总线信号采集器区、伺服电机与丝杆模组区、步进电机与同步带轮及编码器区、变频器与电位器区、步进驱动区、电源状态显示区、信号输出指示区、信号输入区，涉及的元器件有漏电开关、电压电流表、开关稳压电源、可编程逻辑控制器（PLC）、可编程逻辑控制器模拟量扩展模块、PLCRS485通信扩展板、伺服驱动器、触摸屏、固态继电器、现场总线1A＋2D信号采集模块、伺服电机、丝杆滑块模组、步进电机、同步带与同步轮、编码器、变频器、电位器、步进驱动器、红色LED指示灯、绿色LED指示灯、绿色无自锁按钮、绿色有自锁按钮、电阻型温度传感器、电偶型温度传感器、霍尔开关、光电开关等32种自动化教学需要用到的元器件。这些元器件都可以通过香蕉插头方便地进行布线连接。按照红色电源正极、黑色负极、绿色信号的原则选用导线与插头并进行区分，可以更直接地体现各个元器件间的相互关系，有利于学生理解电路原理。该台面上的接口均为弱电接口，并加有漏电保护装置；系统总功率不超过500W。实验教学平台（见图1）已获专利授权。

2可进行的实验项目

2．1实验类型

在实验教学平台所包含12个区中，每个区都可以进行独立实验或者关联实验。主要可分为以下6类实验：（1）按键反馈及人机交互类实验：进行人机工程交互界面设计；（2）运动控制类型实验：进行伺服／步进电机的定位和速度控制；（3）模拟量传输类实验：进行PID恒温控制；（4）本地及远程类实验：进行TCP／IP协议或CS－MA／CD协议联机；（5）工业通信类实验：进行MODBUS通信；（6）现场总线类实验：进行模拟／数字信号的远程读取／采集。为便于实验教学指导，实验教学平台各区的接口都有清晰的指示符，学生可以很方便地找到设计的输入／输出端口。

2．2拓展实验的意义

在进行工业自动化多功能控制系统实验教学平台设计时，通信是着重考虑的内容［4］。该实验教学平台选用市场占有率较高的产品，如支持以太网通信的S7－200SMART，可编程逻辑控制器（PLC）。此外，该实验教学平台引用了物联网概念，伺服驱动器、变频器、远端数据采集模块、触摸屏组态等也具备RS485电气特性，步进驱动器可支持RS232电气特性以及多个支持MODBUS协议的传感器，这使得实验教学平台在进行多台联机使用的情况下，可以进行复杂的设备现场总线／物联网的搭建。

3教学实验应用

3．1实用性应用

实验教学平台选用了多种类型的传感器，如开关型传感器、电压型传感器、电流型传感器、PNP型传感器、NPN型传感器、远程自带协议型传感器等。多种类型传感器的选用，丰富了授课及实践内容的知识面。可编程逻辑控制器（PLC）采用了支持以太网的设备，虽然短期会受到通信环境及硬件兼容性方面的限制，但是可以满足今后物联网向自动化控制方向的延伸发展，使得学生能紧跟行业发展的步伐，总体上还是利大于弊。由于一些较复杂的中大型自动化工程的技术重点往往是工业通信技术，所以实际通信技术应用也是自动化课程实验教学的重点和难点。实验教学平台被设计成可以搭建成一个完整的自动化控制的实体控制系统，将教学与应用结合起来，从控制到执行构成一个整体，也可控制与执行分离［5－6］总之，该实验教学平台支持工业通信实验，且引入底层的工业通信方式及使用方法，从而让学生掌握工业应用设计的理念、产品选型等知识与技能。

3．2典型性应用

实验实训教学环节在工业自动化课程教学中具有重要作用，旨在培养学生的工程设计能力、新技术应用441实验技术与管理开发能力、创新意识和创新精神［7］。工业自动化多功能控制系统实验教学平台能开设的实验实训项目具有典型性，均为生产过程的典型案例。

4设计总结

工业自动化多功能控制系统实验教学平台可以进行PLC编程、变频调速、伺服精准控制、步进控制等多项工业自动控制实验，为自动化类专业学生的学习提供了实用、够用的综合性实验实训的平台。通过该平台的开发与设计，教师的职业技能与开发设计能力也得到提高。

参考文献

［1］管新林．基于运动控制器的机电测控教学实验系统［D］．武汉：华中科技大学，2007．

［2］吴伟．关于机电一体化专业实习、实验设备的合理配置［J］．职业教育研究，2007（5）：120－121．

［3］欧益宝．PLC实验系统构建模式研究［J］．实验室研究与探索，2010，29（9）：73－75．

［4］李新伟，孟婥，孙以泽，等．机电一体化实验平台的通信系统设计［J］．计算机应用，2010，30（1）：35－36．

［5］卢学英，李莹，张云松．PLC技术实验教学体系和实验教程的研究与设计［J］．实验室科学，2009，12（6）：21－22．

［6］苗红霞，齐本胜．PLC控制技术实验教学改革研究与实践［J］．实验技术与管理，2010，27（3）：136－139．

［7］邢玲，徐健宁，董增文．虚实结合的大型设备PLC实验系统设计与开发［J］．实验技术与管理，2015，32（11）：121－124．

［8］刘吟，基于S7－200PLC实验系统的设计与实现［D］．南京：南京理工大学，2007．

作者:陈胜利 包晓霖 单位:河源职业技术学院机电工程学院