浅析电气控制与PLC综合实验教学平台设计与应用

《电气控制与PLC技术》作为电气控制类专业一门重要的课程，需要通过开放式的创新实践教学培养学生分析问题和解决问题的能力。目前，许多高校该课程使用的实验教学设备都是单工位设计，也就是一台实验设备同时只能供一组学生训练使用。实验平台为了能完成多个综合性实训项目，需要配备多个实验模块，如果把实际训练的项目模块都安装到实验台上，就会导致实验平台体积过大。而且，一旦需要增加或者更换实训项目，原有设备很难改造，只能重新购置。
为了解决以上问题，设计一种双工位模块化综合型实验平台十分必要。本文设计的实验平台可以满足两组学生同时在一套实训平台上完成相同或者不同的实训项目。模块化的组合设计方式，在需要增加或者更换实验实训项目时，只需要替换个别模块即可，显著提高了实验室及实验设备利用率。
1、综合实验平台整体方案设计
本文提出设计的PLC综合实验平台主要采用双工位、模块化的设计思想，平台整体结构图如图1所示。实验平台总体结构包括：实验台台架、左/右单人操作工位（双工位设计）、电源模块、PLC输入输出接线区、模块化实验挂箱等。
（1）实验台台架及整体结构。实验台上方左右两侧各安装一个西门子S7-200SMARTPLC及扩展模块，PLC下方为输入部分接线端及操作控制区。整个实验台正面中间区域为三个实验模块位置，以挂箱的形式排列。PLC输出部分的接线区位于挂箱位下方，实验台面下方四个空格作为实验模块挂箱以及其他被控对象放置区域。两侧分别作为两个工位电脑主机放置区，同时，该工位交换机也安装于该区域，用于将编程电脑、S7-200SMARTPLC以及其他以太网通信设备连成局域网，电脑显示器置于实验平台台面上。
（2）实验挂箱模块。根据实验内容的不同，分为担任操作实验和双人操作实验，而不同的实验内容需要选择不同的实验挂箱，因此，挂箱模块也分为两类：单人操作挂箱和双人操作挂箱。对需要单人操作的实验而言，实验平台上需配备两个相同的单人操作挂箱，放置于模块1和模块3位置，对应的实验为一人一组，方便两人同时完成相同的实验项目。而对于双人操作挂箱配备一个即可，放置于模块2位置，对应的实验为两人一组，合作完成。
为配合正常实验教学，设计部分挂箱。单人操作的实验挂箱主要包括LED彩灯模块、物料分拣模块、十字路口交通灯模块、多级输送机模块。双人操作实验挂箱包括：温度闭环控制系统模块、步进电机驱动控制实验模块、变频调速实验模块（配置西门子G120C变频器）等。根据实际实训需要再行增加。
（3）其他模块与被控对象。其他模块包括：触摸屏实验箱（配备SIMATICHMISmart700IEV3触摸屏）、西门子S7-1500PLC实验箱（配备SIMATICS7-1500PLC以及带通讯功能智能温控仪表）等。
其中，触摸屏安装于实验箱内面板内，引出RS485以及以太网接口，便于通信。实验箱采用交流220V电源供电，实验箱内安装直流24V输出的开关电源，并设置单独电源开关。便携式的触摸屏实验箱不用时，置于实验台下面实验模块放置区内，实验时取出连接电源和以太网即可使用。
西门子S7-1500PLC实验箱同样设计成手提箱形式，CPU选用S71511C-1PN（集成16点数字量输入、16点数字量输出；5点模拟量输入，2路模拟量输出）。实验箱供电电源与触摸屏实验箱一样。此外，实验箱还集成了带通讯功能的智能温控仪表（该仪表带数字显示，自带PID温度控制功能，可以通过RS232/485通讯输出，用于模拟工业现场仪表控温场景），S7-1500PLC以及智能仪表均需安装在实验箱内，且所有输入输出以及通信端接口均引出至面板专用端子座上。
被控对象包括变频调速实验模块的控制对象三相异步电机（配备转速传感器）以及西门子V90伺服驱动器及4配套伺服电机。由于被控对象之间互相独立，实验实训过程中，如有新的需求，可以继续增加。
（4）安全性设计。本综合实验平台按照国标要求，设置可靠接地，在实验平台的电源输入端设有电流型漏电保护装置，具备完善的人身安全和设备安全保护功能。平台设有过载保护功能，操作过程中，当线路发生故障，电压或电流超过设定值，保护电路瞬间启动，能确保设备和实验操作人员的安全。实验台加装不间断电源（UPS），给编程电脑单独供电，既可以避免编程过程中突然断电造成程序丢失，也可以防止实验结束后而电脑尚未关机前，学生手动切断电源开关，给电脑主机硬盘造成损伤。

图1 综合实验平台总体结构图
2、综合实验平台特点及实验教学中的应用
本实验平台可以作为电气工程及其自动化、自动化等相关专业实验课程以及实践项目的综合实训平台。平台具有以下特点。
（1）采用双工位结构，一台设备双工位使用，能够满足两组学生同时在一套实训平台上做不同或者相同的实训项目，提高实验室及实验设备利用率。原来需要分两批进行的实验，现在一批就可以完成，减少了实验分批，降低了实验教师的重复工作量。
（2）实训内容相关的对象采用模块化挂箱结构，通用性强，易于扩展。模块化的实验平台，保证实验室内多个实验台之间的模块可以互相通用。每个实验模块都配有备用挂箱，如有模块发生故障，直接备用替换即可。此外，在实验和创新设计中，如果现有的模块无法满足要求时，教师和学生可以自行设计并增加。
（3）多个模块可以灵活组合，也为学生提供了创新性设计的平台，除课程基本实验项目外，学生可以根据自己的构思自主创新，设计出新的实践实训项目。每增加一个新模块，都能开拓新的设计性项目，最大程度地提高学生的创新能力和动手能力。
（4）实验平台预留以太网、RS485/RS422通讯接口，可以灵活地与触摸屏、S7-1500/1200PLC、智能仪表等其他设备通信，这也大大增加了外接设备的可扩展性，有效提高了实验设备及实验室的使用效率。
（5）实验台电器的控制线路和元器件都安装在控制模块的挂箱面板上，操作方便，易于更换，各模块部件敞开性好，有利于加深学生的感性认识；挂箱面板各功能模块的布局设计考虑了实验时的接线顺序，学生易于接受；平台带有抽屉和储藏柜，可以方便地存放挂箱模块、工具资料。
平台自设计研制，经过不断改进和优化，已服务实验教学。通过该平台能够完成的实训内容主要包括：基于PLC的数字量控制实验项目、基于PID的温度控制等模拟量控制实验项目、变频调速以及步进电机驱动等运动控制实验项目与HMI触摸屏以及其他西门子PLC通信实验项目等。该类课程实验项目具有设计性、综合性、创新性等特点。
作为电气控制与PLC技术、可编程逻辑控制器等课程的实验实训设备，该实验平台服务于自动化、电气工程及其自动化专业本科生实验教学、课程设计、毕业设计等。能满足机电控制类专业工程实训要求，可推广到国内其他普通高校，作为相关课程实验实训平台，还可以作为技能培训中心或者高职院校技能培训考核的平台。
3、结语
本综合实验平台基于创新型模块化双工位的设计理念，适应以电气控制与PLC为主的多门课程教学和实验的需要，可以有效地改善实验教学条件，提高教学效果。平台采用模块化设计，单个模块，既可单独完成某个实验，也可互相配合完成复杂的综合性、创新性实验，大大提高了实验室及实验设备的利用率。该平台实用性强，教学效果好，有助于提升学生的工程实践能力和培养学生的创新意识，具有良好的推广使用价值。