開放式電氣實(shí)訓(xùn)平臺研究與設(shè)計(jì)

解丹婷

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 煤炭與化工產(chǎn)業(yè)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

電氣實(shí)訓(xùn)平臺是電氣相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室必備的教學(xué)設(shè)備，而該類實(shí)訓(xùn)設(shè)備大多是將元器件封裝在裝置外殼內(nèi)，是封閉式結(jié)構(gòu)，學(xué)生只能進(jìn)行演示性或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，提供真正動手分析、設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)試電路的機(jī)會很少，限制了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。開放式實(shí)訓(xùn)平臺可以滿足實(shí)訓(xùn)人員根據(jù)實(shí)訓(xùn)線路自行進(jìn)行元器件的合理布局，安裝與接線的全部過程，接近工業(yè)現(xiàn)場[1]。能完成電機(jī)與拖動控制線路、液壓控制線路等安裝調(diào)試的綜合實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)實(shí)訓(xùn)人員動手能力和實(shí)操技能[2]。本文提出的開放式電氣實(shí)訓(xùn)平臺主要由實(shí)訓(xùn)桌、實(shí)訓(xùn)板和實(shí)訓(xùn)元器件組成，包含多個(gè)實(shí)訓(xùn)模塊，能夠滿足電氣類多門專業(yè)課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)要求，學(xué)生可以動手完成線路搭建、調(diào)試與驗(yàn)證全過程，有效提升學(xué)生實(shí)訓(xùn)動手操作與創(chuàng)新分析能力。

1 實(shí)訓(xùn)平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的電氣實(shí)訓(xùn)裝置中實(shí)訓(xùn)板的角度多為固定的，不能根據(jù)不同身高實(shí)訓(xùn)人員作出相應(yīng)的角度調(diào)節(jié)，較高身高實(shí)訓(xùn)人員在操作時(shí)往往需要低著頭，長時(shí)間操作下，則會出現(xiàn)頸部酸疼的現(xiàn)象，鑒于此，設(shè)計(jì)了一種角度可調(diào)的電氣實(shí)訓(xùn)平臺，以滿足不同身高實(shí)訓(xùn)人員的需求，避免出現(xiàn)長時(shí)間低頭導(dǎo)致頸部酸疼的現(xiàn)象，降低實(shí)訓(xùn)人員的疲勞感，增加操作時(shí)的舒適度[1]。

實(shí)訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，包括工作臺1和實(shí)訓(xùn)板2。工作臺的兩側(cè)靠后端設(shè)有對稱固定的支撐架3，支撐架之間設(shè)有連接板4；實(shí)訓(xùn)板安裝在連接板上，且連接板上設(shè)有調(diào)節(jié)實(shí)訓(xùn)板旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括對稱設(shè)立的調(diào)節(jié)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(shí)訓(xùn)平臺的主視圖

圖2 電氣實(shí)訓(xùn)平臺的側(cè)視圖

連接板內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)有條型槽9，升降桿的一端滑動連接在條型槽內(nèi)，且升降桿的底端設(shè)計(jì)有螺紋槽10，升降桿的另一端轉(zhuǎn)動連接有連接桿，連接桿的另一端與實(shí)訓(xùn)板固定連接，螺紋桿轉(zhuǎn)動設(shè)于條型槽內(nèi)，且螺紋桿的頂部安裝于螺紋槽內(nèi)，2個(gè)螺紋桿通過皮帶輪組件傳動連接，且其中1個(gè)螺紋桿穿至連接板底面的端部安裝有轉(zhuǎn)輪，工作臺的頂面開設(shè)有滑槽，移動塊滑動連接在滑槽內(nèi)，且移動塊的頂面與實(shí)訓(xùn)板的底面轉(zhuǎn)動連接[1]。

圖3 調(diào)節(jié)組件的放大圖

通過設(shè)置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)實(shí)訓(xùn)板的旋轉(zhuǎn)角度，使其滿足不同身高實(shí)訓(xùn)人員的裝配需要，避免實(shí)訓(xùn)人員長時(shí)間低頭導(dǎo)致頸部出現(xiàn)酸疼的現(xiàn)象，降低了實(shí)訓(xùn)人員的疲勞感。具體操作時(shí)，只需轉(zhuǎn)動連接板底面的轉(zhuǎn)輪12，通過皮帶輪組件11可帶動2個(gè)螺紋桿同步轉(zhuǎn)動，在螺紋桿轉(zhuǎn)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(nèi)進(jìn)行上下移動，配合升降桿頂部設(shè)置的連接桿及實(shí)訓(xùn)板底部設(shè)置的滑塊，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)板角度的調(diào)節(jié)[1]。

其中，支撐架的底部固定設(shè)有底板14，底板的底部對稱設(shè)計(jì)有2個(gè)萬向輪15，萬向輪上設(shè)有剎車片，通過設(shè)置萬向輪，可以方便對整個(gè)裝置進(jìn)行移動；2個(gè)支撐架靠近頂端位置設(shè)計(jì)有安裝板16，安裝板的底面固定設(shè)有多個(gè)LED燈17，通過設(shè)置LED燈，可在實(shí)訓(xùn)人員裝配過程中為實(shí)訓(xùn)板提供充足的照明度，減少實(shí)訓(xùn)人員的眼部疲勞感；升降桿的外側(cè)壁設(shè)計(jì)有限位塊19，條型槽的內(nèi)壁設(shè)計(jì)有與限位塊滑動配合的限位槽20，通過設(shè)置限位塊和限位槽，可以防止升降桿隨螺紋桿一起轉(zhuǎn)動；另外，其中1個(gè)支撐架的側(cè)面設(shè)有儲物柜21，儲物柜內(nèi)有多層抽屜22，用于放置實(shí)驗(yàn)所需的導(dǎo)線和電氣元件及設(shè)備等[1]。

2 實(shí)訓(xùn)平臺開放式電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)平臺的實(shí)訓(xùn)板采用網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開放式設(shè)計(jì)[3]，將實(shí)訓(xùn)板分成3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域采用模塊化完成不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目或功能，第一個(gè)區(qū)域可以完成與不同專業(yè)課對應(yīng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目；第二個(gè)區(qū)域可以完成基于可編程控制器（PLC）控制的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目；第三個(gè)區(qū)域是電源和檢測保護(hù)部分。其設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 實(shí)訓(xùn)板開放式設(shè)計(jì)框架

2.1 第一區(qū)域設(shè)計(jì)

第一區(qū)域幫助學(xué)生進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與制作技能訓(xùn)練。主要包含2個(gè)層次的實(shí)訓(xùn)內(nèi)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(shí)訓(xùn)；二是可以完成簡易電路及單一的模塊電路制作實(shí)訓(xùn)，內(nèi)容涉及傳感器控制、電動機(jī)保護(hù)與控制和機(jī)電設(shè)備控制等模塊[4]，也可以根據(jù)課程需要，對模塊進(jìn)行拓展和設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)容寬、難易結(jié)合，有很強(qiáng)的應(yīng)用性和可操作性，可廣泛應(yīng)用于機(jī)電專業(yè)、電氣專業(yè)等不同課程的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。

2.2 第二區(qū)域設(shè)計(jì)

以軟件手段實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備更廣的通用性，是現(xiàn)代化不可或缺的智能產(chǎn)品。第二區(qū)域基本組成部分包括計(jì)算機(jī)、PLC、工業(yè)觸摸屏、變頻器、接觸器、三相異步電動機(jī)及實(shí)物對象等[5]，其組成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于PLC控制的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目組成框圖

其中，計(jì)算機(jī)中安裝組態(tài)軟件和PLC編程軟件，變頻器等作為執(zhí)行器接收PLC的控制信號，通過改變輸出電壓及頻率，實(shí)現(xiàn)對三相交流異步電動機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、變速調(diào)節(jié)或其他被控對象等的控制。至少能夠完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目見表1。

表1 PLC綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

通過不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和完成，可以幫助實(shí)訓(xùn)者熟悉PLC的基本概況和工作原理；幫助實(shí)訓(xùn)者掌握PLC的基本指令系統(tǒng)和典型電路的編程，掌握PLC的程序設(shè)計(jì)方法，掌握和熟悉PLC功能指令的使用，以及了解PLC的實(shí)際應(yīng)用程序設(shè)計(jì)步驟和方法等[6]，其硬件實(shí)物如圖6所示。

圖6 PLC控制綜合實(shí)訓(xùn)區(qū)域硬件搭建圖

2.3 第三區(qū)域設(shè)計(jì)

電源部分由交直流電源、電壓表、空氣開關(guān)和熔斷器組成。實(shí)訓(xùn)裝置選用0～380 V交流可調(diào)電源、0～200 V直流可調(diào)電源、直流穩(wěn)壓電源±15 V和直流穩(wěn)壓電源24 V組成電源系統(tǒng)[7]，以適應(yīng)不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的電源電壓等級；電壓表顯示當(dāng)前電壓值；空氣開關(guān)和熔斷器作為保護(hù)元件，保護(hù)線路安全運(yùn)行。

針對實(shí)訓(xùn)過程中因電纜絕緣破壞、接頭不牢固或設(shè)備接線錯(cuò)誤等原因可能造成的漏電故障，該區(qū)域加裝漏電保護(hù)繼電器，可以對漏電流進(jìn)行檢測和判斷。

漏電保護(hù)繼電器使用時(shí)與自動開關(guān)相配合，用作低壓線路的總保護(hù)或?qū)χ骰芈愤M(jìn)行漏電、接地或絕緣監(jiān)視保護(hù)，由零序互感器、脫扣器和輸出信號的輔助接點(diǎn)組成。其工作過程是：當(dāng)主回路有漏電流產(chǎn)生時(shí)，由輔助接點(diǎn)接通分離脫扣器線圈，進(jìn)而控制空氣開關(guān)、交流接觸器等跳閘來切斷主回路，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。利用繼電器的輔助接點(diǎn)也可以連接聲光報(bào)警裝置，當(dāng)漏電流產(chǎn)生時(shí)，裝置發(fā)出漏電報(bào)警信號，提醒實(shí)訓(xùn)人員線路出現(xiàn)漏電故障[8-9]。

3 實(shí)訓(xùn)平臺項(xiàng)目應(yīng)用效果

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，從區(qū)域模塊化的角度出發(fā)，由淺入深，由易到難，逐步提升學(xué)生的綜合技能。不同的區(qū)域模塊對應(yīng)不同的課程，既滿足單一課程的實(shí)訓(xùn)，也可以進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)。

學(xué)生也可以圍繞電氣實(shí)訓(xùn)的目標(biāo)與要求，充分利用此實(shí)訓(xùn)平臺資源，創(chuàng)設(shè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和方案，進(jìn)行自主創(chuàng)新與設(shè)計(jì)。實(shí)訓(xùn)平臺可以滿足學(xué)生從電氣線路設(shè)計(jì)、接線安裝、PLC控制程序開發(fā)與編譯到調(diào)試運(yùn)行的整個(gè)過程，訓(xùn)練了學(xué)生創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐操作能力。

搭建部分實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目對平臺實(shí)訓(xùn)效果進(jìn)行驗(yàn)證。通電后，指示燈、電機(jī)等實(shí)訓(xùn)設(shè)備正常啟動，表明了電路相關(guān)設(shè)計(jì)和控制是正確的，所搭建的開放式電氣實(shí)訓(xùn)平臺的整體功能能夠?qū)崿F(xiàn)，安全性能良好。

4 結(jié)束語

開放式電氣實(shí)訓(xùn)平臺在機(jī)械結(jié)構(gòu)上優(yōu)于傳統(tǒng)固定安裝的實(shí)訓(xùn)平臺，滿足了不同身高實(shí)訓(xùn)人員的操作需求，避免了長時(shí)間低頭導(dǎo)致頸部酸疼的現(xiàn)象出現(xiàn)，降低實(shí)訓(xùn)人員的疲勞感，增加操作時(shí)的舒適度；在電氣結(jié)構(gòu)部分將實(shí)訓(xùn)板劃分為3個(gè)區(qū)域，可以滿足電氣相關(guān)專業(yè)不同課程的單一實(shí)訓(xùn)和綜合實(shí)訓(xùn)的需求，電源系統(tǒng)提供了不同電源電壓等級來滿足不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目電源的要求，檢測保護(hù)部分可以實(shí)現(xiàn)過載、短路、過流及漏電等常見故障檢測及保護(hù)，保障實(shí)訓(xùn)人員安全操作及線路穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)訓(xùn)板采用網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，實(shí)訓(xùn)人員可以根據(jù)實(shí)訓(xùn)線路進(jìn)行元器件的合理布局，安裝與接線的全部過程，接近工業(yè)現(xiàn)場，從而培養(yǎng)實(shí)訓(xùn)人員動手能力和實(shí)操技能，涉及的內(nèi)容多、難易結(jié)合，有很強(qiáng)的應(yīng)用性和可操作性，可廣泛應(yīng)用于機(jī)電專業(yè)、電氣專業(yè)等多個(gè)課程的實(shí)訓(xùn)。