工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺開發

陳勝利， 包曉霖

(河源職業技術學院 機電工程學院, 廣東 河源 517000)

工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺開發

陳勝利， 包曉霖

(河源職業技術學院 機電工程學院, 廣東 河源 517000)

為滿足自動化課程由入門到精講的漸進式實驗教學需要，開發出占用空間小、功能全面、性能穩定的工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺。該實驗教學平臺分為PLC與模擬量擴展模塊區、現場總線信號采集器區等12個區，涉及PLC、PLC RS485通信擴展板、步進電機等32種元器件。作為實例，給出電壓輸入模擬量控制伺服調速實驗的電氣原理圖和控制程序。

工業自動化； 多功能控制； 實驗教學平臺

良好的實驗實訓平臺是學習工業自動化類課程的重要保障。一個自動化實驗教學平臺，不但要能開設一般實驗項目，還要方便追蹤學習進程，并隨著課程的深入，開設更復雜、難度更高的實驗項目，滿足自動化實驗教學由入門到精講的一系列漸進式課程的實驗教學。以往的專業實驗教學平臺占用空間大、更換元器件困難，無法依據教學需求進一步開發。基于此，自動化與智能控制技術項目團隊依據職業技術教育的特點，開發出占用空間小、功能全面、性能穩定的工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺[1]。

1 實驗平臺的框架設計及選型

為使學生能循序漸進地了解實驗內容，工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺涵蓋從簡單的入門級單機、單進程實驗，到難度較大的聯機、聯網、多進程實驗[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簡化或小型化演變而來。設備上采用香蕉插頭連線方式，以節約線材和更加充分地利用教學時間，進行多樣或者重復性的實驗。

工業自動化多功能控制系統實驗教學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，彌補自動化實驗教學設備在通信教學上的不足；添加支持MODBUS通信協議的總線設備也是為了彌補在自動化實驗教學上對現場總線的教學的缺失。而作為一個完整的流程型中大型自動化生產線，總線設備是非常重要的一環，是學生必須掌握的知識。此設備平臺在自動化教學的完整性和實用性方面也是一種新的嘗試。

該實驗教學平臺分為12個區，分別是電源與電源控制區、PLC與模擬量擴展模塊區、伺服驅動器區、觸摸屏區、現場總線信號采集器區、伺服電機與絲桿模組區、步進電機與同步帶輪及編碼器區、變頻器與電位器區、步進驅動區、電源狀態顯示區、信號輸出指示區、信號輸入區，涉及的元器件有漏電開關、電壓電流表、開關穩壓電源、可編程邏輯控制器(PLC)、可編程邏輯控制器模擬量擴展模塊、PLC RS485通信擴展板、伺服驅動器、觸摸屏、固態繼電器、現場總線1A+2D信號采集模塊、伺服電機、絲桿滑塊模組、步進電機、同步帶與同步輪、編碼器、變頻器、電位器、步進驅動器、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、光電開關等32種自動化教學需要用到的元器件。這些元器件都可以通過香蕉插頭方便地進行布線連接。按照紅色電源正極、黑色負極、綠色信號的原則選用導線與插頭并進行區分，可以更直接地體現各個元器件間的相互關系，有利于學生理解電路原理。

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500 W。實驗教學平臺(見圖1)已獲專利授權。

圖1 教學平臺立體圖

2 可進行的實驗項目

2.1 實驗類型

在實驗教學平臺所包含12個區中，每個區都可以進行獨立實驗或者關聯實驗。主要可分為以下6類實驗：

(1) 按鍵反饋及人機交互類實驗：進行人機工程交互界面設計；

(2) 運動控制類型實驗：進行伺服/步進電機的定位和速度控制；

(3) 模擬量傳輸類實驗：進行PID恒溫控制；

(4) 本地及遠程類實驗：進行TCP/IP協議或CSMA/CD協議聯機；

(5) 工業通信類實驗：進行MODBUS通信；

(6) 現場總線類實驗：進行模擬/數字信號的遠程讀取/采集。

為便于實驗教學指導，實驗教學平臺各區的接口都有清晰的指示符，學生可以很方便地找到設計的輸入/輸出端口。

2.2 拓展實驗的意義

在進行工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺設計時，通信是著重考慮的內容[4]。該實驗教學平臺選用市場占有率較高的產品，如支持以太網通信的S7-200 SMART，可編程邏輯控制器(PLC)。此外，該實驗教學平臺引用了物聯網概念，伺服驅動器、變頻器、遠端數據采集模塊、觸摸屏組態等也具備RS485電氣特性，步進驅動器可支持RS232電氣特性以及多個支持MODBUS協議的傳感器，這使得實驗教學平臺在進行多臺聯機使用的情況下，可以進行復雜的設備現場總線/物聯網的搭建。

3 教學實驗應用

3.1 實用性應用

實驗教學平臺選用了多種類型的傳感器，如開關型傳感器、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容的知識面。

可編程邏輯控制器(PLC)采用了支持以太網的設備，雖然短期會受到通信環境及硬件兼容性方面的限制，但是可以滿足今后物聯網向自動化控制方向的延伸發展，使得學生能緊跟行業發展的步伐，總體上還是利大于弊。由于一些較復雜的中大型自動化工程的技術重點往往是工業通信技術，所以實際通信技術應用也是自動化課程實驗教學的重點和難點。實驗教學平臺被設計成可以搭建成一個完整的自動化控制的實體控制系統，將教學與應用結合起來，從控制到執行構成一個整體，也可控制與執行分離[5-6]總之，該實驗教學平臺支持工業通信實驗，且引入底層的工業通信方式及使用方法，從而讓學生掌握工業應用設計的理念、產品選型等知識與技能。

3.2 典型性應用

實驗實訓教學環節在工業自動化課程教學中具有重要作用，旨在培養學生的工程設計能力、新技術應用開發能力、創新意識和創新精神[7]。工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺能開設的實驗實訓項目具有典型性，均為生產過程的典型案例。圖2是電壓輸入模擬量控制伺服調速實驗的電氣原理圖。

圖2 模擬量控制伺服調速電氣原理圖

電壓輸入模擬量控制伺服調速實驗運算控制程序如下[8]：

4 設計總結

工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺可以進行PLC編程、變頻調速、伺服精準控制、步進控制等多項工業自動控制實驗，為自動化類專業學生的學習提供了實用、夠用的綜合性實驗實訓的平臺。通過該平臺的開發與設計，教師的職業技能與開發設計能力也得到提高。

References)

[1] 管新林.基于運動控制器的機電測控教學實驗系統[D].武漢：華中科技大學,2007.

[2] 吳偉.關于機電一體化專業實習、實驗設備的合理配置[J].職業教育研究,2007(5):120-121.

[3] 歐益寶．PLC實驗系統構建模式研究[J]．實驗室研究與探索，2010,29(9):73-75.

[4] 李新偉,孟婥,孫以澤,等.機電一體化實驗平臺的通信系統設計[J].計算機應用,2010,30(1):35-36.

[5] 盧學英，李瑩，張云松．PLC技術實驗教學體系和實驗教程的研究與設計[J].實驗室科學，2009,12(6):21-22.

[6] 苗紅霞，齊本勝．PLC控制技術實驗教學改革研究與實踐[J].實驗技術與管理，2010,27(3):136-139.

[7] 邢玲,徐健寧,董增文.虛實結合的大型設備PLC實驗系統設計與開發[J].實驗技術與管理，2015,32(11):121-124.

[8] 劉吟,基于S7-200 PLC實驗系統的設計與實現[D].南京：南京理工大學,2007.

Development of experimental teaching platform for multi-function control system of industrial automation

Chen Shengli, Bao Xiaolin

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Heyuan Polytechnic,Heyuan 517000, China)

In order to meet the needs of the advanced course of the automation course from entry to refinement, this article develops an experimental teaching platform for multi-function control system of industrial automation with small occupying space, full function and stable performance. The experimental teaching platform is divided into PLC and analog expansion module area, field bus signal collector area and ther 12 districts, involving PLC, PLC RS485 communication expansion board, stepper motor and other 32 kinds of components. As an example, the electrical scheme and control program of the voltage input analog control servo speed control experiment are given.

industrial automation； multi-function control; experimental teaching platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.035

2016-12-02 修改日期：2017-02-22

2016年廣東省省級科技計劃項目(2016A070715002)；河源職業技術學院科研課題(2015KJ05)

陳勝利(1979—)，男，湖南雙峰，副教授，主要從事機械制造及自動化應用研究.

E-mail：csl862@126.com

TP273；G712.431

A

1002-4956(2017)06-0143-03

職業技術教育