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工業(yè)自動化多功能實驗教學(xué)平臺開發(fā)論文
摘要：為滿足自動化課程由入門到精講的漸進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步開發(fā)。基于此，自動化與智能控制技術(shù)項目團(tuán)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(jìn)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(jìn)程實驗，到難度較大的聯(lián)機、聯(lián)網(wǎng)、多進(jìn)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(jìn)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(jìn)電機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(jìn)電機、同步帶與同步輪、編碼器、變頻器、電位器、步進(jìn)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(jìn)行布線連接。按照紅色電源正極、黑色負(fù)極、綠色信號的原則選用導(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(hù)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(jìn)行的實驗項目
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在實驗教學(xué)平臺所包含１２個區(qū)中，每個區(qū)都可以進(jìn)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(jìn)行人機工程交互界面設(shè)計；（２）運動控制類型實驗：進(jìn)行伺服／步進(jìn)電機的定位和速度控制；（３）模擬量傳輸類實驗：進(jìn)行ＰＩＤ恒溫控制；（４）本地及遠(yuǎn)程類實驗：進(jìn)行ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議或ＣＳ－ＭＡ／ＣＤ協(xié)議聯(lián)機；（５）工業(yè)通信類實驗：進(jìn)行ＭＯＤＢＵＳ通信；（６）現(xiàn)場總線類實驗：進(jìn)行模擬／數(shù)字信號的遠(yuǎn)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(jìn)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(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(jìn)行多臺聯(lián)機使用的情況下，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(yuǎn)程自帶協(xié)議型傳感器等。多種類型傳感器的選用，豐富了授課及實踐內(nèi)容的知識面�？删幊踢壿嬁刂破鳎ǎ校蹋茫┎捎昧酥С忠蕴W(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(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。
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