PLC/單片機通用實訓裝置構成

湖北工程職業學院 李新生

本文通過采用邏輯控制電路，構成PLC/單片機通用實訓裝置，提高實訓效率，保障安全性。

高職院校自動化類專業，普遍開設PLC及單片機專業課程。現階段理實一體的教學模式，在多數學校推廣，因而配套實訓設備需求量大。開發一種方便操作，高實驗效率，通用性強的實訓臺很有必要。

一、現行PLC實訓臺，單片機實訓箱等產品，滿足一般教學實驗，但存在著一下缺點：

實驗效率低：每次實驗都需要重新連接導線，隨著教學的深入，接線愈來愈多，占用時間越來越長，降低了教學效率。并且接線過多，更易出現操作錯誤等方面的問題。

安全性問題：一般PLC采用220V電壓及24V電壓，在學生操作中容易出現損壞設備，還有一定出現人身安全問題的可能性。

單片機和PLC實訓不能通用：單片機和PLC適用范圍有很多類似之處，學習中可互相借鑒，融會貫通。PLC/單片機實訓裝置的通用性可以增強兩門課程的學習效能。

二、針對上述教學問題，分析PLC課程與單片機課程的教學要點，歸納出通用PLC、單片機實訓設施的教學范疇，開發出PLC、單片機通用實訓臺，應具備下述特點：

1.能同時適應初級使用者，完成IO連接，基本指令編程調試操作；

2.能完成進階學習者編程實訓，為提高實訓效率可快速連接IO；

3. 能完成熟練使用者開發應用設備能力，能勝任技能競賽考核裝置；

4.采用近幾年流行的新型PLC；

5.具備自動控制仿真能力；

6.整機進行人機工程開發，改變傳統實訓臺，整體雜亂現象更加宜人，美觀實用；

7.提升功能，一臺多用，不僅能完成PLC實訓，也可以完成單片機開發等實訓功能；

三、實訓裝置構成特點如下：

1.實訓設施總體構成，在保證功能的前提下，提供操作者良好的工作現境。新型實訓臺集成了工控計算機。專業設計的顯示器直接嵌入操作界面，整機高度1.42米，操作臺面高度0.7米，非常適合學生坐姿操作。實驗臺長1.6米，可供兩名學生同時學習，互相探討，實訓裝置如圖1所示。

該實訓設施由柜體，電源模塊，實訓項目選擇電路，PLC模塊、單片機編程模塊、實驗模塊、工控機等組成。

柜體作為整個實訓裝置的安裝平臺；電源模塊控制每部分電源供給；實訓電路選擇模塊用于選擇要進行的實訓項目。實驗模塊用于完成PLC單片機不同的實驗項目；PLC模塊可以根據需求配置24點～48點各種品牌PLC控制器（CPU），單片機編程模塊包含最小系統、IO輸入輸出，通訊口等功能，實訓時，PLC或單片機只能選用1項；工控機模塊用于工控機輸入輸出模擬、組態軟件實訓、對PLC或單片機編程。

圖1 PLC/單片機通用實訓裝置構成

2.硬件設計上綜合平衡：一般來說30-40點左右的小型PLC既可滿足使用要求。三菱系列、西門子系列、歐姆龍系列及其它系列可根據需求選配；為使實訓臺能同時進行PLC教學，單片機教學兩用。實驗臺設置了單片機開發板，可以使用實驗臺中lO裝置進行單片機編程實習。可完成IO控制、模擬量控制、字符顯示、定時計數等項目的實訓內容。同時實訓臺要做到同時兼容PLC標準電壓24V，及單片機實訓所需電壓5V，接口電路在傳統實訓臺基礎上作相應調整，單片機開發板可以直接連接實訓裝置。

3.電源模塊提供交流380V、220V、直流5V電源，供其它模塊使用。供電電路采用漏電保護空氣斷路器、實訓裝置主電路采用直流5V電壓供電，每組電源均采用單獨的熔斷器，以解決實驗過程中安全性問題。各組電壓均采用數字電壓表顯示，直觀方便。

4.各實訓模塊共同制成一塊PCB板，所有輸入端按照X01、X02…順序對應相連，輸出端按照Y01、Y02…順序對應相連，工作時哪個模塊接入電路，由實訓項目選擇電路管理。學生實訓時，無需每個實訓項目重復接線、拆線，用于編程等核心能力操作時間比例增加，從而提升了教學效率。

5.實訓項目快速選擇電路，是本實訓裝置的核心管理部分，是提高實踐教學效率的關鍵：多個實驗項目采用邏輯電路管理，IO端子共用，通過實訓項目選擇器快速選通實訓項目，如圖2。

圖2 實訓項目選擇原理

圖2中，MCU構成管理實訓項目的選擇模塊，采用兩塊LED8字數碼管顯示實訓項目，實訓項目可以由開關選擇，項目數一般不超過16個，每模塊均有Q1、Q2等組成的選通電路。Y選通為模塊提供電源，X選通使代表輸入點的開關是否接入電路。每模塊可以有多個輸入點可以使用。

實驗項目通過單片機選擇，LED數碼管顯示選擇的實驗項目，選通端低電平有效。

選通信號有效時，通過R1使晶體管Q1導通，提供實驗模塊電源，使Y選通；通過R3，點亮D1，顯示實驗模塊工作狀態；通過R4使Q2導通，使D2處于可導通狀態，S1可接入，完成X選通。

選通電平為高電平無效時，Q1、Q2截止，實驗模塊因無電源供給，停止工作，指示燈D2熄滅。因Q2截止，D2無法接通，開關K1無法接入輸入回路。

6.增加工控機模塊，工控機模塊由主板、MSSD硬盤、DDR3內存條、IO口、14寸WVGA液晶顯示屏、輸入輸出模塊等組成，可升級14寸觸摸屏。工控主板直接安裝于實訓臺內部，多組串口便于連接工控設備、遠程控制模塊，使實訓臺具備系統開發功能。微型工控主機工作穩定，功耗低。內置工控機系統，可運行組態王等工控軟件，PLC編程軟件、單片機編程軟件，擴展了PLC實訓臺功能。

四、教學對比實驗

選取同年級、電氣自動化專業40人兩個班級，分別安排在傳統實訓臺和本實訓臺理實一體教學，PLC均采用三菱FX-3U，經過2年教學對比驗證，該設施60學時教學可以達到傳統設施84學時教學效果，明顯提高了教學效率。

結論：總吸收現行PLC、單片機實訓裝置優點，去除其低效、功能單一的缺點，開發高教學效率、多功能的PLC/單片機實訓設施是可以實現的。