工業自動化多功能實驗教學平臺開發論文
摘要：為滿足自動化課程由入門到精講的漸進式實驗教學需要，開發出佔用空間小、功能全面、效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與模擬量擴充套件模組區、現場匯流排訊號採集器區等１２個區，涉及ＰＬＣ、ＰＬＣＲＳ４８５通訊擴充套件板、步進電機等３２種元器件。作為例項，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式。
關鍵詞：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專案，還要方便追蹤學習程序，並隨著課程的深入，開設更復雜、難度更高的實驗專案，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佔用空間大、更換元器件困難，無法依據教學需求進一步開發。基於此，自動化與智慧控制技術專案團隊依據職業技術教育的特點，開發出佔用空間小、功能全面、效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瞭解實驗內容，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、單程序實驗，到難度較大的聯機、聯網、多程序實驗［２－３］。該平臺的實驗專案均來自實際工程專案，由較有代表性的專案經簡化或小型化演變而來。裝置上採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，進行多樣或者重複性的實驗。工業自動化多功能控制系統實驗教學平臺採用通訊模組的目的是為了便於擴充套件連線多臺支援ＣＳＭＡ／ＣＤ、ＲＳ４８５的通訊裝置，彌補自動化實驗教學裝置在通訊教學上的不足；新增支援ＭＯＤＢＵＳ通訊協議的匯流排裝置也是為了彌補在自動化實驗教學上對現場匯流排的教學的缺失。而作為一個完整的流程型中大型自動化生產線，匯流排裝置是非常重要的一環，是學生必須掌握的知識。此裝置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與模擬量擴充套件模組區、伺服驅動器區、觸控式螢幕區、現場匯流排訊號採集器區、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、訊號輸出指示區、訊號輸入區，涉及的元器件有漏電開關、電壓電流表、開關穩壓電源、可程式設計邏輯控制器（ＰＬＣ）、可程式設計邏輯控制器模擬量擴充套件模組、ＰＬＣＲＳ４８５通訊擴充套件板、伺服驅動器、觸控式螢幕、固態繼電器、現場匯流排１Ａ＋２Ｄ訊號採集模組、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、電阻型溫度感測器、電偶型溫度感測器、霍爾開關、光電開關等３２種自動化教學需要用到的元器件。這些元器件都可以透過香蕉插頭方便地進行佈線連線。按照紅色電源正極、黑色負極、綠色訊號的原則選用導線與插頭並進行區分，可以更直接地體現各個元器件間的相互關係，有利於學生理解電路原理。該檯面上的介面均為弱電介面，並加有漏電保護裝置；系統總功率不超過５００Ｗ。實驗教學平臺（見圖１）已獲專利授權。
２可進行的實驗專案
２．１實驗型別
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）按鍵反饋及人機互動類實驗：進行人機工程互動介面設計；（２）運動控制型別實驗：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恆溫控制；（４）本地及遠端類實驗：進行ＴＣＰ／ＩＰ協議或ＣＳ－ＭＡ／ＣＤ協議聯機；（５）工業通訊類實驗：進行ＭＯＤＢＵＳ通訊；（６）現場匯流排類實驗：進行模擬／數字訊號的遠端讀取／採集。為便於實驗教學指導，實驗教學平臺各區的介面都有清晰的指示符，學生可以很方便地找到設計的`輸入／輸出埠。
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，通訊是著重考慮的內容［４］。該實驗教學平臺選用市場佔有率較高的產品，如支援乙太網通訊的Ｓ７－２００ＳＭＡＲＴ，可程式設計邏輯控制器（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、遠端資料採集模組、觸控式螢幕組態等也具備ＲＳ４８５電氣特性，步進驅動器可支援ＲＳ２３２電氣特性以及多個支援ＭＯＤＢＵＳ協議的感測器，這使得實驗教學平臺在進行多臺聯機使用的情況下，可以進行復雜的裝置現場匯流排／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型別的感測器，如開關型感測器、電壓型感測器、電流型感測器、ＰＮＰ型感測器、ＮＰＮ型感測器、遠端自帶協議型感測器等。多種型別感測器的選用，豐富了授課及實踐內容的知識面。可程式設計邏輯控制器（ＰＬＣ）採用了支援乙太網的裝置，雖然短期會受到通訊環境及硬體相容性方面的限制，但是可以滿足今後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，總體上還是利大於弊。由於一些較複雜的中大型自動化工程的技術重點往往是工業通訊技術，所以實際通訊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，該實驗教學平臺支援工業通訊實驗，且引入底層的工業通訊方式及使用方法，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４４１實驗技術與管理開發能力、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專案具有典型性，均為生產過程的典型案例。
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程式設計、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。透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。
參考文獻
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