開放式電氣實訓平臺研究與設計

解丹婷

（陜西能源職業技術學院 煤炭與化工產業學院，陜西 咸陽 712000）

電氣實訓平臺是電氣相關專業實驗室必備的教學設備，而該類實訓設備大多是將元器件封裝在裝置外殼內，是封閉式結構，學生只能進行演示性或驗證性實驗，提供真正動手分析、設計、搭建和調試電路的機會很少，限制了學生動手能力和創新能力的培養。開放式實訓平臺可以滿足實訓人員根據實訓線路自行進行元器件的合理布局，安裝與接線的全部過程，接近工業現場[1]。能完成電機與拖動控制線路、液壓控制線路等安裝調試的綜合實訓，培養實訓人員動手能力和實操技能[2]。本文提出的開放式電氣實訓平臺主要由實訓桌、實訓板和實訓元器件組成，包含多個實訓模塊，能夠滿足電氣類多門專業課程相關實驗實訓要求，學生可以動手完成線路搭建、調試與驗證全過程，有效提升學生實訓動手操作與創新分析能力。

1 實訓平臺機械結構設計

現有的電氣實訓裝置中實訓板的角度多為固定的，不能根據不同身高實訓人員作出相應的角度調節，較高身高實訓人員在操作時往往需要低著頭，長時間操作下，則會出現頸部酸疼的現象，鑒于此，設計了一種角度可調的電氣實訓平臺，以滿足不同身高實訓人員的需求，避免出現長時間低頭導致頸部酸疼的現象，降低實訓人員的疲勞感，增加操作時的舒適度[1]。

實訓平臺結構如圖1和圖2所示，包括工作臺1和實訓板2。工作臺的兩側靠后端設有對稱固定的支撐架3，支撐架之間設有連接板4；實訓板安裝在連接板上，且連接板上設有調節實訓板旋轉角度的調節機構，調節機構包括對稱設立的調節單元，包括升降桿5、螺紋桿6、連接桿7和移動塊8[1]。

圖1 電氣實訓平臺的主視圖

圖2 電氣實訓平臺的側視圖

連接板內部結構如圖3所示，設有條型槽9，升降桿的一端滑動連接在條型槽內，且升降桿的底端設計有螺紋槽10，升降桿的另一端轉動連接有連接桿，連接桿的另一端與實訓板固定連接，螺紋桿轉動設于條型槽內，且螺紋桿的頂部安裝于螺紋槽內，2個螺紋桿通過皮帶輪組件傳動連接，且其中1個螺紋桿穿至連接板底面的端部安裝有轉輪，工作臺的頂面開設有滑槽，移動塊滑動連接在滑槽內，且移動塊的頂面與實訓板的底面轉動連接[1]。

圖3 調節組件的放大圖

通過設置調節機構，可調節實訓板的旋轉角度，使其滿足不同身高實訓人員的裝配需要，避免實訓人員長時間低頭導致頸部出現酸疼的現象，降低了實訓人員的疲勞感。具體操作時，只需轉動連接板底面的轉輪12，通過皮帶輪組件11可帶動2個螺紋桿同步轉動，在螺紋桿轉動過程中，螺紋桿頂部與螺紋槽配合帶動升降桿在條型槽內進行上下移動，配合升降桿頂部設置的連接桿及實訓板底部設置的滑塊，從而實現對實訓板角度的調節[1]。

其中，支撐架的底部固定設有底板14，底板的底部對稱設計有2個萬向輪15，萬向輪上設有剎車片，通過設置萬向輪，可以方便對整個裝置進行移動；2個支撐架靠近頂端位置設計有安裝板16，安裝板的底面固定設有多個LED燈17，通過設置LED燈，可在實訓人員裝配過程中為實訓板提供充足的照明度，減少實訓人員的眼部疲勞感；升降桿的外側壁設計有限位塊19，條型槽的內壁設計有與限位塊滑動配合的限位槽20，通過設置限位塊和限位槽，可以防止升降桿隨螺紋桿一起轉動；另外，其中1個支撐架的側面設有儲物柜21，儲物柜內有多層抽屜22，用于放置實驗所需的導線和電氣元件及設備等[1]。

2 實訓平臺開放式電氣結構設計

實訓平臺的實訓板采用網孔結構實現開放式設計[3]，將實訓板分成3個區域，每個區域采用模塊化完成不同實訓項目或功能，第一個區域可以完成與不同專業課對應的實訓項目；第二個區域可以完成基于可編程控制器（PLC）控制的綜合實訓項目；第三個區域是電源和檢測保護部分。其設計框架如圖4所示。

圖4 實訓板開放式設計框架

2.1 第一區域設計

第一區域幫助學生進行電路設計與制作技能訓練。主要包含2個層次的實訓內容，一是可以完成常用低壓控制電器的識別、測量、選用與故障測試等實訓；二是可以完成簡易電路及單一的模塊電路制作實訓，內容涉及傳感器控制、電動機保護與控制和機電設備控制等模塊[4]，也可以根據課程需要，對模塊進行拓展和設計，其特點是采用模塊化設計，內容寬、難易結合，有很強的應用性和可操作性，可廣泛應用于機電專業、電氣專業等不同課程的實訓環節。

2.2 第二區域設計

以軟件手段實現各種控制功能、以微處理器為核心的可編程控制器（PLC）繼承了繼電器-接觸器控制系統的優點，同時具備更廣的通用性，是現代化不可或缺的智能產品。第二區域基本組成部分包括計算機、PLC、工業觸摸屏、變頻器、接觸器、三相異步電動機及實物對象等[5]，其組成結構如圖5所示。

圖5 基于PLC控制的綜合實訓項目組成框圖

其中，計算機中安裝組態軟件和PLC編程軟件，變頻器等作為執行器接收PLC的控制信號，通過改變輸出電壓及頻率，實現對三相交流異步電動機的啟停、正反轉、變速調節或其他被控對象等的控制。至少能夠完成的實訓項目見表1。

表1 PLC綜合實訓項目

通過不同實訓項目的設計和完成，可以幫助實訓者熟悉PLC的基本概況和工作原理；幫助實訓者掌握PLC的基本指令系統和典型電路的編程，掌握PLC的程序設計方法，掌握和熟悉PLC功能指令的使用，以及了解PLC的實際應用程序設計步驟和方法等[6]，其硬件實物如圖6所示。

圖6 PLC控制綜合實訓區域硬件搭建圖

2.3 第三區域設計

電源部分由交直流電源、電壓表、空氣開關和熔斷器組成。實訓裝置選用0～380 V交流可調電源、0～200 V直流可調電源、直流穩壓電源±15 V和直流穩壓電源24 V組成電源系統[7]，以適應不同實訓項目的電源電壓等級；電壓表顯示當前電壓值；空氣開關和熔斷器作為保護元件，保護線路安全運行。

針對實訓過程中因電纜絕緣破壞、接頭不牢固或設備接線錯誤等原因可能造成的漏電故障，該區域加裝漏電保護繼電器，可以對漏電流進行檢測和判斷。

漏電保護繼電器使用時與自動開關相配合，用作低壓線路的總保護或對主回路進行漏電、接地或絕緣監視保護，由零序互感器、脫扣器和輸出信號的輔助接點組成。其工作過程是：當主回路有漏電流產生時，由輔助接點接通分離脫扣器線圈，進而控制空氣開關、交流接觸器等跳閘來切斷主回路，從而實現保護。利用繼電器的輔助接點也可以連接聲光報警裝置，當漏電流產生時，裝置發出漏電報警信號，提醒實訓人員線路出現漏電故障[8-9]。

3 實訓平臺項目應用效果

在設計實驗時，從區域模塊化的角度出發，由淺入深，由易到難，逐步提升學生的綜合技能。不同的區域模塊對應不同的課程，既滿足單一課程的實訓，也可以進行綜合實訓。

學生也可以圍繞電氣實訓的目標與要求，充分利用此實訓平臺資源，創設實訓項目和方案，進行自主創新與設計。實訓平臺可以滿足學生從電氣線路設計、接線安裝、PLC控制程序開發與編譯到調試運行的整個過程，訓練了學生創新思維能力和實踐操作能力。

搭建部分實訓項目對平臺實訓效果進行驗證。通電后，指示燈、電機等實訓設備正常啟動，表明了電路相關設計和控制是正確的，所搭建的開放式電氣實訓平臺的整體功能能夠實現，安全性能良好。

4 結束語

開放式電氣實訓平臺在機械結構上優于傳統固定安裝的實訓平臺，滿足了不同身高實訓人員的操作需求，避免了長時間低頭導致頸部酸疼的現象出現，降低實訓人員的疲勞感，增加操作時的舒適度；在電氣結構部分將實訓板劃分為3個區域，可以滿足電氣相關專業不同課程的單一實訓和綜合實訓的需求，電源系統提供了不同電源電壓等級來滿足不同實訓項目電源的要求，檢測保護部分可以實現過載、短路、過流及漏電等常見故障檢測及保護，保障實訓人員安全操作及線路穩定運行。實訓板采用網孔結構，實訓人員可以根據實訓線路進行元器件的合理布局，安裝與接線的全部過程，接近工業現場，從而培養實訓人員動手能力和實操技能，涉及的內容多、難易結合，有很強的應用性和可操作性，可廣泛應用于機電專業、電氣專業等多個課程的實訓。