淺析電氣控制與PLC綜合實驗教學平臺設計與應用

蔡曉磊，黃永紅，康梅，楊東

（江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013）

《電氣控制與PLC 技術》作為電氣控制類專業一門重要的課程，需要通過開放式的創新實踐教學培養學生分析問題和解決問題的能力。目前，許多高校該課程使用的實驗教學設備都是單工位設計，也就是一臺實驗設備同時只能供一組學生訓練使用。實驗平臺為了能完成多個綜合性實訓項目，需要配備多個實驗模塊，如果把實際訓練的項目模塊都安裝到實驗臺上，就會導致實驗平臺體積過大。而且，一旦需要增加或者更換實訓項目，原有設備很難改造，只能重新購置。為了解決以上問題，設計一種雙工位模塊化綜合型實驗平臺十分必要。本文設計的實驗平臺可以滿足兩組學生同時在一套實訓平臺上完成相同或者不同的實訓項目。模塊化的組合設計方式，在需要增加或者更換實驗實訓項目時，只需要替換個別模塊即可，顯著提高了實驗室及實驗設備利用率。

1 綜合實驗平臺整體方案設計

本文提出設計的PLC 綜合實驗平臺主要采用雙工位、模塊化的設計思想，平臺整體結構圖如圖1 所示。實驗平臺總體結構包括：實驗臺臺架、左/右單人操作工位（雙工位設計）、電源模塊、PLC 輸入輸出接線區、模塊化實驗掛箱等。

圖1 綜合實驗平臺總體結構圖

（1）實驗臺臺架及整體結構。實驗臺上方左右兩側各安裝一個西門子S7-200 SMART PLC 及擴展模塊，PLC 下方為輸入部分接線端及操作控制區。整個實驗臺正面中間區域為三個實驗模塊位置，以掛箱的形式排列。PLC 輸出部分的接線區位于掛箱位下方，實驗臺面下方四個空格作為實驗模塊掛箱以及其他被控對象放置區域。兩側分別作為兩個工位電腦主機放置區，同時，該工位交換機也安裝于該區域，用于將編程電腦、S7-200 SMART PLC 以及其他以太網通信設備連成局域網，電腦顯示器置于實驗平臺臺面上。

（2）實驗掛箱模塊。根據實驗內容的不同，分為擔任操作實驗和雙人操作實驗，而不同的實驗內容需要選擇不同的實驗掛箱，因此，掛箱模塊也分為兩類：單人操作掛箱和雙人操作掛箱。對需要單人操作的實驗而言，實驗平臺上需配備兩個相同的單人操作掛箱，放置于模塊1 和模塊3 位置，對應的實驗為一人一組，方便兩人同時完成相同的實驗項目。而對于雙人操作掛箱配備一個即可，放置于模塊2 位置，對應的實驗為兩人一組，合作完成。

為配合正常實驗教學，設計部分掛箱。單人操作的實驗掛箱主要包括LED 彩燈模塊、物料分揀模塊、十字路口交通燈模塊、多級輸送機模塊。雙人操作實驗掛箱包括：溫度閉環控制系統模塊、步進電機驅動控制實驗模塊、變頻調速實驗模塊（配置西門子G120C 變頻器）等。根據實際實訓需要再行增加。

（3）其他模塊與被控對象。其他模塊包括：觸摸屏實驗箱（配備SIMATIC HMI Smart 700 IE V3 觸摸屏）、西門子S7-1500 PLC 實驗箱（配備SIMATIC S7-1500 PLC 以及帶通訊功能智能溫控儀表）等。

其中，觸摸屏安裝于實驗箱內面板內，引出RS485 以及以太網接口，便于通信。實驗箱采用交流220V 電源供電，實驗箱內安裝直流24V 輸出的開關電源，并設置單獨電源開關。便攜式的觸摸屏實驗箱不用時，置于實驗臺下面實驗模塊放置區內，實驗時取出連接電源和以太網即可使用。

西門子S7-1500 PLC 實驗箱同樣設計成手提箱形式，CPU 選用S7 1511C-1 PN（集成16 點數字量輸入、16 點數字量輸出；5 點模擬量輸入，2 路模擬量輸出）。實驗箱供電電源與觸摸屏實驗箱一樣。此外，實驗箱還集成了帶通訊功能的智能溫控儀表（該儀表帶數字顯示，自帶PID 溫度控制功能，可以通過RS232/485 通訊輸出，用于模擬工業現場儀表控溫場景），S7-1500 PLC 以及智能儀表均需安裝在實驗箱內，且所有輸入輸出以及通信端接口均引出至面板專用端子座上。

被控對象包括變頻調速實驗模塊的控制對象三相異步電機（配備轉速傳感器）以及西門子V90 伺服驅動器及4 配套伺服電機。由于被控對象之間互相獨立，實驗實訓過程中，如有新的需求，可以繼續增加。

（4）安全性設計。本綜合實驗平臺按照國標要求，設置可靠接地，在實驗平臺的電源輸入端設有電流型漏電保護裝置，具備完善的人身安全和設備安全保護功能。平臺設有過載保護功能，操作過程中，當線路發生故障，電壓或電流超過設定值，保護電路瞬間啟動，能確保設備和實驗操作人員的安全。

實驗臺加裝不間斷電源（UPS），給編程電腦單獨供電，既可以避免編程過程中突然斷電造成程序丟失，也可以防止實驗結束后而電腦尚未關機前，學生手動切斷電源開關，給電腦主機硬盤造成損傷。

2 綜合實驗平臺特點及實驗教學中的應用

本實驗平臺可以作為電氣工程及其自動化、自動化等相關專業實驗課程以及實踐項目的綜合實訓平臺。平臺具有以下特點。

（1）采用雙工位結構，一臺設備雙工位使用，能夠滿足兩組學生同時在一套實訓平臺上做不同或者相同的實訓項目，提高實驗室及實驗設備利用率。原來需要分兩批進行的實驗，現在一批就可以完成，減少了實驗分批，降低了實驗教師的重復工作量。

（2）實訓內容相關的對象采用模塊化掛箱結構，通用性強，易于擴展。模塊化的實驗平臺，保證實驗室內多個實驗臺之間的模塊可以互相通用。每個實驗模塊都配有備用掛箱，如有模塊發生故障，直接備用替換即可。此外，在實驗和創新設計中，如果現有的模塊無法滿足要求時，教師和學生可以自行設計并增加。

（3）多個模塊可以靈活組合，也為學生提供了創新性設計的平臺，除課程基本實驗項目外，學生可以根據自己的構思自主創新，設計出新的實踐實訓項目。每增加一個新模塊，都能開拓新的設計性項目，最大程度地提高學生的創新能力和動手能力。

（4）實驗平臺預留以太網、RS485/RS422 通訊接口，可以靈活地與觸摸屏、S7-1500/1200 PLC、智能儀表等其他設備通信，這也大大增加了外接設備的可擴展性，有效提高了實驗設備及實驗室的使用效率。

（5）實驗臺電器的控制線路和元器件都安裝在控制模塊的掛箱面板上，操作方便，易于更換，各模塊部件敞開性好，有利于加深學生的感性認識；掛箱面板各功能模塊的布局設計考慮了實驗時的接線順序，學生易于接受；平臺帶有抽屜和儲藏柜，可以方便地存放掛箱模塊、工具資料。

平臺自設計研制，經過不斷改進和優化，已服務實驗教學。通過該平臺能夠完成的實訓內容主要包括：基于PLC 的數字量控制實驗項目、基于PID 的溫度控制等模擬量控制實驗項目、變頻調速以及步進電機驅動等運動控制實驗項目與HMI 觸摸屏以及其他西門子PLC 通信實驗項目等。該類課程實驗項目具有設計性、綜合性、創新性等特點。

作為電氣控制與PLC 技術、可編程邏輯控制器等課程的實驗實訓設備，該實驗平臺服務于自動化、電氣工程及其自動化專業本科生實驗教學、課程設計、畢業設計等。能滿足機電控制類專業工程實訓要求，可推廣到國內其他普通高校，作為相關課程實驗實訓平臺，還可以作為技能培訓中心或者高職院校技能培訓考核的平臺。

3 結語

本綜合實驗平臺基于創新型模塊化雙工位的設計理念，適應以電氣控制與PLC 為主的多門課程教學和實驗的需要，可以有效地改善實驗教學條件，提高教學效果。平臺采用模塊化設計，單個模塊，既可單獨完成某個實驗，也可互相配合完成復雜的綜合性、創新性實驗，大大提高了實驗室及實驗設備的利用率。該平臺實用性強，教學效果好，有助于提升學生的工程實踐能力和培養學生的創新意識，具有良好的推廣使用價值。