工業(yè)自動(dòng)化多功能實(shí)驗教學(xué)平臺開(kāi)發(fā)論文

工業(yè)自動(dòng)化多功能實(shí)驗教學(xué)平臺開(kāi)發(fā)論文

　　摘要：為滿(mǎn)足自動(dòng)化課程由入門(mén)到精講的漸進(jìn)式實(shí)驗教學(xué)需要，開(kāi)發(fā)出占用空間小、功能全面、性能穩定的工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統實(shí)驗教學(xué)平臺。該實(shí)驗教學(xué)平臺分為ＰＬＣ與模擬量擴展模塊區、現場(chǎng)總線(xiàn)信號采集器區等１２個(gè)區，涉及ＰＬＣ、ＰＬＣＲＳ４８５通信擴展板、步進(jìn)電機等３２種元器件。作為實(shí)例，給出電壓輸入模擬量控制伺服調速實(shí)驗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)驗教學(xué)平臺

　　良好的實(shí)驗實(shí)訓平臺是學(xué)習工業(yè)自動(dòng)化類(lèi)課程的重要保障。一個(gè)自動(dòng)化實(shí)驗教學(xué)平臺，不但要能開(kāi)設一般實(shí)驗項目，還要方便追蹤學(xué)習進(jìn)程，并隨著(zhù)課程的深入，開(kāi)設更復雜、難度更高的實(shí)驗項目，滿(mǎn)足自動(dòng)化實(shí)驗教學(xué)由入門(mén)到精講的一系列漸進(jìn)式課程的實(shí)驗教學(xué)。以往的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗教學(xué)平臺占用空間大、更換元器件困難，無(wú)法依據教學(xué)需求進(jìn)一步開(kāi)發(fā)�；�于此，自動(dòng)化與智能控制技術(shù)項目團隊依據職業(yè)技術(shù)教育的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出占用空間小、功能全面、性能穩定的工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統實(shí)驗教學(xué)平臺［１］。

　　１實(shí)驗平臺的框架設計及選型

　　為使學(xué)生能循序漸進(jìn)地了解實(shí)驗內容，工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統實(shí)驗教學(xué)平臺涵蓋從簡(jiǎn)單的入門(mén)級單機、單進(jìn)程實(shí)驗，到難度較大的聯(lián)機、聯(lián)網(wǎng)、多進(jìn)程實(shí)驗［２－３］。該平臺的實(shí)驗項目均來(lái)自實(shí)際工程項目，由較有代表性的項目經(jīng)簡(jiǎn)化或小型化演變而來(lái)。設備上采用香蕉插頭連線(xiàn)方式，以節約線(xiàn)材和更加充分地利用教學(xué)時(shí)間，進(jìn)行多樣或者重復性的實(shí)驗。工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統實(shí)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的通信設備，彌補自動(dòng)化實(shí)驗教學(xué)設備在通信教學(xué)上的不足；添加支持ＭＯＤＢＵＳ通信協(xié)議的總線(xiàn)設備也是為了彌補在自動(dòng)化實(shí)驗教學(xué)上對現場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)，總線(xiàn)設備是非常重要的一環(huán)，是學(xué)生必須掌握的知識。此設備平臺在自動(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)驗教學(xué)平臺分為１２個(gè)區，分別是電源與電源控制區、ＰＬＣ與模擬量擴展模塊區、伺服驅動(dòng)器區、觸摸屏區、現場(chǎng)總線(xiàn)信號采集器區、伺服電機與絲桿模組區、步進(jìn)電機與同步帶輪及編碼器區、變頻器與電位器區、步進(jìn)驅動(dòng)區、電源狀態(tài)顯示區、信號輸出指示區、信號輸入區，涉及的元器件有漏電開(kāi)關(guān)、電壓電流表、開(kāi)關(guān)穩壓電源、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、伺服驅動(dòng)器、觸摸屏、固態(tài)繼電器、現場(chǎng)總線(xiàn)１Ａ＋２Ｄ信號采集模塊、伺服電機、絲桿滑塊模組、步進(jìn)電機、同步帶與同步輪、編碼器、變頻器、電位器、步進(jìn)驅動(dòng)器、紅色ＬＥＤ指示燈、綠色ＬＥＤ指示燈、綠色無(wú)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(kāi)關(guān)、光電開(kāi)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(guò)香蕉插頭方便地進(jìn)行布線(xiàn)連接。按照紅色電源正極、黑色負極、綠色信號的原則選用導線(xiàn)與插頭并進(jìn)行區分，可以更直接地體現各個(gè)元器件間的相互關(guān)系，有利于學(xué)生理解電路原理。該臺面上的接口均為弱電接口，并加有漏電保護裝置；系統總功率不超過(guò)５００Ｗ。實(shí)驗教學(xué)平臺（見(jiàn)圖１）已獲專(zhuān)利授權。

　　２可進(jìn)行的實(shí)驗項目

　�。玻�１實(shí)驗類(lèi)型

　　在實(shí)驗教學(xué)平臺所包含１２個(gè)區中，每個(gè)區都可以進(jìn)行獨立實(shí)驗或者關(guān)聯(lián)實(shí)驗。主要可分為以下６類(lèi)實(shí)驗：（１）按鍵反饋及人機交互類(lèi)實(shí)驗：進(jìn)行人機工程交互界面設計；（２）運動(dòng)控制類(lèi)型實(shí)驗：進(jìn)行伺服／步進(jìn)電機的定位和速度控制；（３）模擬量傳輸類(lèi)實(shí)驗：進(jìn)行ＰＩＤ恒溫控制；（４）本地及遠程類(lèi)實(shí)驗：進(jìn)行ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議或ＣＳ－ＭＡ／ＣＤ協(xié)議聯(lián)機；（５）工業(yè)通信類(lèi)實(shí)驗：進(jìn)行ＭＯＤＢＵＳ通信；（６）現場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)實(shí)驗：進(jìn)行模擬／數字信號的遠程讀�。�采集。為便于實(shí)驗教學(xué)指導，實(shí)驗教學(xué)平臺各區的接口都有清晰的指示符，學(xué)生可以很方便地找到設計的輸入／輸出端口。

　�。玻�２拓展實(shí)驗的意義

　　在進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統實(shí)驗教學(xué)平臺設計時(shí)，通信是著(zhù)重考慮的內容［４］。該實(shí)驗教學(xué)平臺選用市場(chǎng)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)驗教學(xué)平臺引用了物聯(lián)網(wǎng)概念，伺服驅動(dòng)器、變頻器、遠端數據采集模塊、觸摸屏組態(tài)等也具備ＲＳ４８５電氣特性，步進(jìn)驅動(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)驗教學(xué)平臺在進(jìn)行多臺聯(lián)機使用的情況下，可以進(jìn)行復雜的設備現場(chǎng)總線(xiàn)／物聯(lián)網(wǎng)的搭建。

　　３教學(xué)實(shí)驗應用

　�。常�１實(shí)用性應用

　　實(shí)驗教學(xué)平臺選用了多種類(lèi)型的傳感器，如開(kāi)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(lèi)型傳感器的選用，豐富了授課及實(shí)踐內容的知識面�？删幊踢壿嬁刂破鳎ǎ校蹋茫┎捎昧酥С忠蕴�網(wǎng)的設備，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(mǎn)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)應用也是自動(dòng)化課程實(shí)驗教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。實(shí)驗教學(xué)平臺被設計成可以搭建成一個(gè)完整的自動(dòng)化控制的實(shí)體控制系統，將教學(xué)與應用結合起來(lái)，從控制到執行構成一個(gè)整體，也可控制與執行分離［５－６］總之，該實(shí)驗教學(xué)平臺支持工業(yè)通信實(shí)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)應用設計的理念、產(chǎn)品選型等知識與技能。

　�。常�２典型性應用

　　實(shí)驗實(shí)訓教學(xué)環(huán)節在工業(yè)自動(dòng)化課程教學(xué)中具有重要作用，旨在培養學(xué)生的工程設計能力、新技術(shù)應用４４１實(shí)驗技術(shù)與管理開(kāi)發(fā)能力、創(chuàng )新意識和創(chuàng )新精神［７］。工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統實(shí)驗教學(xué)平臺能開(kāi)設的實(shí)驗實(shí)訓項目具有典型性，均為生產(chǎn)過(guò)程的典型案例。

　　４設計總結

　　工業(yè)自動(dòng)化多功能控制系統實(shí)驗教學(xué)平臺可以進(jìn)行ＰＬＣ編程、變頻調速、伺服精準控制、步進(jìn)控制等多項工業(yè)自動(dòng)控制實(shí)驗，為自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習提供了實(shí)用、夠用的綜合性實(shí)驗實(shí)訓的平臺。通過(guò)該平臺的開(kāi)發(fā)與設計，教師的職業(yè)技能與開(kāi)發(fā)設計能力也得到提高。

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