一種高職電工實訓教學裝置的設計與應用

李冰

[摘 要] 為了提高電工實訓課程的教學質量和技術水平，改善武漢鐵路職業技術學院電工實訓室辦學條件，探索電工實訓在職業教育人才培養體系中培養具有創新能力的應用型電工技能人才的教育作用，基于現代電工技術理論和電氣控制技術，設計出一款基于西門子S7系列可編程邏輯控制器和臺達VFD-M變頻器的電工實訓教學裝置，該裝置還包括繼電接觸器、三相異步電動機、觸摸屏等常用低壓電氣控制系統基本配置。該裝置將電氣控制理論教學與電工實驗實訓有機結合，同時還可以滿足維修電工等技能鑒定考核對硬件設備的需求，為培養學生良好的實踐與創新能力創造了條件。

[關 鍵 詞] 電工實訓；PLC；變頻器；實訓裝置

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）08-0120-02

一、引言

電工實訓是理工類高職院校所開設的專業基礎實訓課程，是學生在學完電工電子技術課程和現代控制理論課程后學習的一門重要的實踐課程，其開設目的主要是鍛煉學生的實際操作技能，培養其成為一名熟練掌握電工理論與技術的技能型人才[1]。由于工業控制計算機技術和變頻控制理論、制造工藝的不斷發展，PLC、變頻器等先進技術正逐漸取代傳統繼電接觸控制設備而廣泛地應用到了工業控制領域的各個環節，因此傳統繼電接觸電工實訓裝置已不能滿足培養現代電工技能人才的教學要求，針對于此，本文提出了一種基于PLC和變頻器的現代電工實訓教學裝置的設計方案，該裝置在傳統繼電接觸電工實訓裝置設計中加入了支持現代電氣控制理論技術的實訓考核模塊，從而使學生在實訓的過程中既能鞏固電工技術課程的基礎知識和技能，又能適應時代發展，學習和掌握PLC、變頻器等現代控制理論技術，同時該裝置還可以滿足初級、中級、高級維修電工等職業技能鑒定的設備需求。

二、系統研發

（一）基本設計思想

現代電工實訓教學裝置的設計思路是以培養學生的實際操作技能為主要目的，以適應現代電氣控制理論發展為出發點，著重培養學生的職業基本素養、解決實際問題的能力和電工操作技能。該裝置的主要設計思想可概括如下：（1）強調基礎電工技能實訓與現代電氣控制理論技術實訓并重，完成傳統繼電接觸控制實訓項目的同時兼具PLC、變頻器的基本實訓內容，如頻率控制、PID控制等。（2）能滿足不同專業、不同層次職業學生的電工實訓需求，具備較廣的適用性和良好的通用性。（3）系統所涉及的元器件應具有良好的開放性和較高的安全性，授課教師可以直接將設備實體拆卸后作為教具給學生做講解，同時為后期設備維護提供便利。系統應滿足工業控制現場環境要求，具有較高的可靠性。（4）參訓學生可根據不同實訓科目來搭建實訓場景，具備良好的可擴展性。

（二）系統的總體結構與組成

根據上述設計思路，本文提出的現代電工實訓教學裝置主要分為四個部分：輸入設備：按鈕開關、斷路器、行程開關、傳感器等；邏輯控制模塊：中間繼電器、時間繼電器、熱繼電器、PLC等；執行機構：變頻器、交流接觸器等；其他機構：電動機、觸摸屏、指示燈、電源模塊等。

采用西門子公司S7-200系列PLC來完成數據處理及控制輸出，其數字量輸入、數字量輸出模塊為EM223，模擬量輸入模塊為EM235。該PLC配置靈活，結構緊湊，功能較為全面，非常適合作為實訓教學設備使用[2]。

觸摸屏采用臺達DOP-B07S401K，該觸摸屏可以在有限空間內提供最大顯示區域，具有USB快速上下載功能，3組通訊端口，支持RS-232/422/485通訊等，通過其組態軟件DOPSoft來設計人機交互界面，進行指令操作和參數設置，并顯示PLC的工作狀態、控制過程。該觸摸屏可以使學生非常直觀地了解工業現場的電氣控制操作[3]。

變頻器主要采用臺達VFD022M43B高功能低噪音迷你型變頻器，空間占用率小，其輸出頻率為0.1～400Hz，V/F曲線可調，并具有可自動轉矩提升與自動滑差補償功能，主要用于對三相異步電動機進行調速控制，使學生熟練掌握變頻器的參數設置和訪問。

柜體采用金屬材質，通過表面噴塑使其具有一定絕緣性，柜體采用保護接地，使機體外殼對地電位為零。使用三相五線制供電方式，由帶漏電保護的空氣開關控制，漏電時自行斷電。使用220V電壓給開關電源供電，開關電源輸出24V電壓作為PLC和報警保護模塊電源，380V作為三相異步電動機主電路電源。柜體中采用可拆卸安裝方式設置有交流接觸器、熱繼電器、時間繼電器、按鈕開關、行程開關等常用低壓電器元件，方便學生實訓時安裝與接線。本裝置各元器件、模塊安裝布局如下圖所示。

（三）系統的教學特點

1.適應自動控制技術的發展。本現代電工實訓教學系統既可以讓學生通過簡單的繼電接觸控制電路實訓來掌握基礎電工理論知識與技能，還可以通過PLC、變頻器等實訓科目來使學生更快地適應社會技術水平的發展，從而更好掌握PLC等現代電氣控制理論技術。通過將PLC控制、變頻器調速以及人機界面動態系統等各種先進技術進行有效整合，使學生在實訓的過程中全面接觸各種控制形式，并對整個自動控制領域的發展趨勢有一定了解和掌握。

2.理論與實踐的完美結合。本裝置大部分低壓電器元件均可拆卸，學生在實訓時具有很強的直觀性，通過大量的實際動手練習，如低壓電器元件的認知、安裝、接線，PLC的程序編寫、變頻器的調試等，可以有效提高學生技能操作水平和解決問題的能力。實訓時，學生首先要熟練掌握訓練科目的電氣控制原理，畫出電路圖和接線圖，分別連接好控制電路和主電路，并完成PLC的程序編寫和組態設計，最后調試系統并解決出現的問題，整個過程包含了電氣控制原理設計、安裝與調試，從而使學生在實訓過程中做到理論與實踐的結合。

3.良好的開放性和擴展性。本裝置實訓科目涉及面比較廣泛，涵蓋了傳統的繼電接觸控制、PLC控制、電動機調速控制、伺服電機等。由于大部分元器件和模塊均可拆卸，實訓指導老師可以通過增減電器元件、執行部件及功能模塊來模擬各種工業控制環境，也可以與其他設備進行現場聯機，因此本裝置的開放性、擴展性較好。

三、實訓內容及案例

（一）實訓內容設計

本裝置主要通過開展以繼電接觸控制電路為主的實訓項目來提升學生的電工基礎技能與邏輯思維能力；通過開展以PLC、變頻器為主的實訓項目來鍛煉學生現代電氣控制理論的應用能力；通過開展觸摸屏組態軟件編程實訓來進一步提高學生的技能水平；通過開展以PLC、變頻器、組態技術、工業網絡的綜合性創新實訓項目，鍛煉學生對系統設計、技術運用、專業技能的綜合應用能力。

根據不同專業、不同層次的教學需求，依照“由淺入深，從簡單到復雜”的實訓項目設計原則。本裝置的實訓內容可以分為以下四個部分：（1）以繼電接觸控制電路為主的電氣控制實訓項目。通過低壓電器元件的認知、選型、安裝、接線和調試，完成傳統繼電接觸邏輯控制電路，實現不同的控制要求。如，三相異步電動機的點動控制、雙重聯鎖控制的正反轉、時間繼電器控制的降壓啟動電路等。（2）以PLC、變頻器為主的電氣控制實訓項目。通過開展這類實訓項目來使學生熟練掌握PLC的指令系統及編程方法，了解變頻器參數的訪問和設定，熟悉PLC和變頻器的控制關系，如通過變頻器控制三相異步電動機的正反轉運行等。（3）以組態軟件編程為主的實訓項目。通過完成組態軟件程序的編寫，使學生完成對電氣控制系統的仿真監控，并學會將組態軟件與PLC連接起來，通過畫面顯示PLC的控制狀態，實現各種控制動作。（4）綜合性創新實訓項目。本裝置有良好的擴展性，因此實訓指導老師可以根據設備條件自由命題，設計綜合性創新實訓項目。如基于PLC的立體車庫控制系統、電梯運行控制系統等。

（二）實訓案例

某廣場音樂噴泉共有80個噴嘴，其所噴水柱的高度取決于變頻器的頻率輸出，使用變頻器同時驅動兩臺潛水泵，設計出能滿足以上要求的電氣控制系統，并完成該系統的安裝與調試。

該實訓項目為綜合性創新實訓項目，學生首先需要按要求設計出電氣控制裝置并完成安裝，并完成PLC程序的編寫和變頻器的參數設置。

四、結語

本文所設計的基于PLC與變頻器的電工實訓教學裝置通過將現代電氣控制設備與傳統繼電接觸式電工實訓裝置有機結合，為學生創建了一個具有高度擴展性和良好開放性的電工技能實踐平臺。該裝置結構緊湊，綜合性強，應用性好，維護成本低，在教學體系上將理論知識、技術應用、操作技能和創新能力培養集于一身，適用于職業教育中電工實訓多層次教學，并且滿足了目前應用型創新型人才的培養要求，具有良好的應用與推廣價值。

參考文獻：

[1]肖看，尹仕，嚴國萍.創新型電工電子全開放實驗教學模式探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2010（4）：30-34.

[2]郝寧眉，周蘭娟，陳璨.基于創新性教學模式之電工電子學實習改革與實踐[J].價值工程，2011（10）：9-10.

[3]趙春峰，陳國民，范曉蘭.基于PLC的電工實習教學裝置的研發[J].實驗室研究與探索，2013，32（1）：136-142.