自動化專業單片機與PLC綜合實驗平臺的設計

鄭凱 賈亞娟 謝國坤 王亞亞

摘 要：本課題基于PLC技術、傳感器技術、氣動技術、單片機技術與三菱PLC等工業自動化器件相結合，完成了綜合實驗平臺的設計。解決了現有實驗平臺實驗結果不夠直觀的問題。本課題設計的學生評價系統，實現了學生對實驗情況的及時反饋，促進了教師實驗教學方法的改進。本課題的研究有利于學生對專業基礎知識的理解，鍛煉了學生的實踐能力。

關鍵詞：高職；PLC；單片機；自動化；實驗平臺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.135

0 緒論

高等職業教育存在著學生動手能力不強、創新能力不高、工程實踐能力不足等問題。我們把培養技能型、應用型人才作為高等職業教育的根本目標。這就需要我們不斷加強實踐技能教學。實踐教學離不開實驗設備（平臺）的支撐，它是完成實踐教學的基礎與保證。所以設計一種適合自動化專業單片機與PLC課程的綜合實驗平臺就顯得十分必要。

1 綜合實驗平臺整體設計

本課題所研究的《自動化專業單片機與PLC綜合實驗平臺的設計》（以下簡稱：綜合實驗平臺）。是以PLC和單片機兩門專業核心課程為理論基礎；以問卷調查法為研究手段，對現有實驗平臺進行了分析。完成調查、數據收集、數據分析等工作；得出有效、有理、有據的結論。為綜合實驗平臺的設計提供了可靠、合理的理論依據，明確了綜合實驗平臺設計的思路與方向。

1.1 問卷調查法在本課題中的應用

問卷調查法，是一種社會調查研究中收集資料的工具。主要以問題的形式，是一種系統性記載調查內容的文件，其目的是為了收集人們對于某個特定問題的態度行為特征、價值觀觀點等信息而設計的一系列問題。

1.2 調查問卷結果的數據統計

依據調查問卷內容，對自動化類及相關專業，約100名學生代表及部分教師進行了本次問卷工作，并作出了數據統計。具體結果及數據統計如下：

1.3 調查問卷結果的分析與總結

通過對問卷結果的數據統計，發現四個題目中均有選項超過了被問卷人數的50%，說明了問卷中提到的問題具有明顯的代表性，反映了調查問卷的合理性；同時也反映出這些問題在廣大師生中的突出性。主要反映了以下幾個方面的問題；第一，實驗設備不夠真實、實驗過程與實驗結果不夠直觀，很難滿足不同層次學生學習的需求；絕大部分師生希望實驗過程真實、直觀、生動。第二，學生希望能及時的對實驗效果做出有效的反饋，需要必要的評價系統。通過對本課題研究的前期問卷調查，我們找到了現有平臺的問題，了解了同學、教師對實驗的希望與要求，為新綜合實驗平臺的設計與構成指明了改進的方向。

1.4 綜合實驗平臺的組成

綜合實驗平臺的主要使用對象是自動化類專業的學生和相關任課教師，根據調查問卷結果并結合實際需求，綜合實驗平臺可分為6個部分，如圖2所示。

2 綜合實驗平臺電氣系統設計

本課題所設計的主實驗臺采用AC220V＼50HZ的標準市電完成各單元供電，主要供電對象有：開關穩壓電源、PLC主機、外置插座等。

直流穩壓電源部分：本實驗平臺使用了DC12V/5A/40W、DC24V/10A/60W穩壓開關電源各兩個，分別向直流可調電源、直流固定電源、儀表部分、學生評價單元、設備管理單元供電。可知穩壓電源部分額定總功率為200W。PLC主機部分：本實驗平臺采用了FX2N-48系列PLC，該PLC可直接用交流220V供電。FX2N-48系列PLC，額定功率為100W。外置插座部分：實驗平臺提供了3組外置插座，額定總功率為400W。由前3項可知電氣系統的額定總功率約為700W，為了安全起見平臺總功率設定在1kW。

空氣開關與熔斷器的選取：依據系統總功率可知電氣系統的工作電流約為5A所以選用了220V/5A帶漏電保護裝置的交流空氣開關及熔斷器。開關電源的選取：根據上文可知，本實驗平臺使用了DC12V、DC24V開關電源各兩個，分別向直流可調電源、直流固定電源、儀表部分、學生評價單元、設備管理單元供電，因為存在損耗所以額定總功率應略大于200W。外置插座的選取：為了便于學生或設備使用人員給外部電器供電，本實驗平臺提供了3組外置插座。額定總功率為400W。

電源線（纜）的選用原則：一般執行國家GB5013標準《額定電壓450/750V級以下橡皮絕緣電纜》標準。設備額定電流的取值范圍：電流不大于3A的（功率不大于660W），同時電源線（銅芯）的標稱橫截面積的取值應大于0.5 平方毫米。

3 綜合實驗平臺體結構設計

根據前文所述需要滿足1-2人同時使用，所以主實驗臺總尺寸：長1840×寬750×高1400mm；為了便于組裝和維護實驗平臺以臺面為基準可以設計為上下兩部分；實驗平臺臺面鋼板厚度為不小于2mm。（1）柜體鋼板厚度為：1.2mm，噴塑處理，顏色灰色。（2）電源、PLC主機控制屏、按鈕控制屏為鋁板厚度各為：3mm。（3）模板箱為1.2mm鋼板，模塊箱面板厚度為3mm鋁板、面板貼膜處理（顏色根據設計確定）。

綜合實驗平臺結構與組成：分為PLC主機控制箱、單片機主控制箱、按鈕模塊、電源、評價模塊、設備管理模塊、實驗模塊箱等。各部分均使用螺絲固定在操作臺上。實驗平臺的實驗模塊箱由變頻器、主令電器、硬件電氣、傳感器、液壓與氣壓傳動、三相異步電機等6

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個模塊組成。為了便于實驗每個功能模塊箱可拆卸，實驗模塊箱的外形尺寸都相同，只需保證面板內容不同。同時保留計算機數據線的串線孔。綜合實驗平臺結構示意圖，如圖3所示。

4 總結

綜合實驗平臺主要功能包括：PLC實驗系統、單片機實驗系統、學生評價系統。主要完成的工作如下：（1）以三菱PLC為控制核心結合工業級自動化器件，完成了PLC實驗系統的設計。以51單片機為控制核心結合工業級電子元器件，完成了單片機實驗系統的設計。（2）以51單片機為控制核心完成了學生評價系統的軟硬件設計，學生評價系統對實驗情況的及時反饋，促進了教師實驗教學方法的改進，滿足了學校、學生、教師的實際需求。（3）完成了實驗平臺相關模塊的電路設計、電路仿真、PCB繪制、程序編寫及調試。

參考文獻：

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基金：西安交通工程學院中青年基金資助項目（編號：17K-24）研究成果

作者簡介：鄭凱（1986-），男，陜西戶縣人，工程師，研究方向：控制類。