多功能一體化PLC實驗實訓系統設計

摘要本文所描述的PLC實驗實訓系統兼顧產品的先進性、平臺的開放性和應用的透明性，該系統設計新穎，功能多樣，適用于高職學生課程實訓使用。該系統涵蓋PLC控制、電氣控制、調速系統控制、觸摸屏等多門課程的知識內容，該系統不但適宜于以上課程的實訓使用，同時可用于學生畢業設計、自主創新和教師的科研。

中圖分類號:TP39文獻標識碼:A

高職教育重在學生動手實踐能力的培養，而實現這培養目標的關鍵是實驗實訓設備。多功能一體化PLC實訓系統集PLC控制、HMI人機界面組態、變頻調速控制及電氣控制于一體，可進行PLC應用、觸摸屏、調速系統課程的實驗實訓，也可進行維修中級的考工和考證培訓、大學生創新項目、畢業設計和教師的科研。

1 設計依據

該實驗裝置自主研制，設計新穎，功能多樣，設計依據主要基于以下幾個方面:(1)先進性。科學技術不斷進步，PLC及電器元件不斷的更新換代，可以說是日新月異。為了學生能跟上時代的步閥，實驗系統中選用的器件均是本行業最新的產品，代表著本專業的發展趨勢。(2)開放性。本系統僅提供平臺和元件，用任務書代替指導書，學生可充分發揮自己的設計能力和創造能力，在這平臺上按照自己的設想去組建不同的系統。被控對象亦可以根據需要進行自主設計與開發。(3)透明性。為了人生安全和設備安全考慮，過去實驗常常將系統中重要的元器件封裝起來，讓學生用插件操作，這樣學生雖然會做實驗，但觀察不到實驗變化過程，往往是實驗完成，但不知因果，不明就里。到實際工作中，往往畏首畏尾，不敢動手。本系統設計力求貼近實際工作狀況，使學生通過自主接線、調試等全過程工作，既清楚的看到每個環節的工作要領和實際效果，也通過全過程的實踐性工作，掌握系統運行的全過程操作，使得學生畢業后能快速融入企業。

2 實驗系統硬件組成及工作原理

為了實現對各種被控對象的多樣化控制，該實驗系統主要由上位機、PLC控制器、人機界面HMI、變頻器及被控對象等幾大模塊組成，實物如圖1所示。組態簡單控制系統可以單機工作(如圖2實線部分)，復雜系統也可以多機聯網工作(如圖2所示)。

圖3工作臺設計圖圖4供電系統原理圖

3 實驗臺結構設計

實驗臺的作用是為組建各種控制系統提供一個公共的平臺，學生可以將PLC、變頻器、觸摸屏、上位機、被控對象及相關元件，通過合理布局，組裝在實驗臺上，從而便于操作、監控和調試。設計要考慮的因素有:實訓者的可操作性和使用的舒適性、元器件的布局的合理性、被控對象的多樣性、元器件安裝的快速性、試驗臺拆裝的便捷性等。本實驗臺設計為四個區域，如圖3所示。區域1為主區域，主要安裝PLC、變頻器、觸摸屏及相關電氣元件，該區域為固定區域，為便于IEC75標準導軌及其它標準件的安裝，采用固定式網孔板，網孔設計為長孔，錯位布置，避免安裝盲區。區域2的設計，主要用于放置被控對象，為了易于更換不同的被控對象，故設計為可拆卸網孔板，較常見的和簡易的對象，可直接裝于網孔板之上，若復雜對象且不易裝到網孔板上的對象，則可設計與網孔板外形尺寸相同的對象，直接替換網孔板。區域3為供電系統，給PLC、變頻器、電器元件等供電，同時給外接對象(如筆記本電腦等)供電。區域4為桌板，主要放置筆記本電腦及相關工具。整個實驗臺結構通過Solidworks三維設計和模擬裝配(如圖3所示)后，再轉化為加工零件圖，大大簡化過程，縮短了設計時間。零件均選用標準型材和易購件，零件結構設計和選擇時考慮易裝易拆特性。

4 供電系統設計

該供電系統主要為每臺實驗系統單獨供(下轉第139頁)(上接第108頁)電而設計，它的作用是產生220V外接電源、24V-PLC的供電電源、380V的被控對象的供電電源等。其工作原理如圖4所示。

5 主模塊的硬件配置

該實驗系統的主要模塊為PLC、變頻器及HMI人機界面三大模塊，考慮產品的先進性和性價比，這三大模塊的硬件配置如表1所示。

表1主模塊硬件配置

PLC主要采用西門子最新產品及趨勢產品S7-1200，自帶1路模擬量輸出，增加一個8路數字量輸出擴展模塊，通訊方式用4口以太網通訊，支持profinet通訊。人機界面采用西門子KTP600 mono系列，與S7-1200能很好的結合，可聯機在線調試，也可離線模擬仿真調試。

6 實驗對象開發

本實驗臺的被控對象可按不同的使用要求開發設計，僅要求統一的安裝尺寸。最簡單的可采用LED指示燈來模擬其它實物對象，隨著課程開發的深入，可開發像交通燈、搶答器、工作臺往復循環等常見的實驗系統;可以結合液氣壓實驗系統進行電、氣、液綜合項目的實訓;可開發溫度、壓力、流量、液位等過程控制實驗系統，有助于學生掌握更深的知識，也便于學生自主創新和畢業設計，本實驗系統擬逐步實現以上被控對象的開發。

7 結語

該多功能一體化PLC實驗系統，解決了學生以往的實驗教學內容和工程應用脫節的矛盾，做到了使學生從實踐中學習和內化所學理論知識，給學生提供了鍛煉理論和實踐協調發展的機會，培養了學生理論知識的工程應用意識，同時為提高教師的科研能力提供了多功能應用平臺。該系統不僅可用于PLC控制技術課程的教學實驗和課程設計綜合實驗，而且可用于與PLC有關的科研項目的用戶程序模擬調試，借助于該實驗系統可有效縮短科研項目的研發周期，優化控制系統的設計，保證了系統的可靠運行。

參考文獻

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