自動化專業(yè)單片機與PLC綜合實驗平臺的設(shè)計

鄭凱 賈亞娟 謝國坤 王亞亞

摘 要：本課題基于PLC技術(shù)、傳感器技術(shù)、氣動技術(shù)、單片機技術(shù)與三菱PLC等工業(yè)自動化器件相結(jié)合，完成了綜合實驗平臺的設(shè)計。解決了現(xiàn)有實驗平臺實驗結(jié)果不夠直觀的問題。本課題設(shè)計的學(xué)生評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了學(xué)生對實驗情況的及時反饋，促進了教師實驗教學(xué)方法的改進。本課題的研究有利于學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解，鍛煉了學(xué)生的實踐能力。

關(guān)鍵詞：高職；PLC；單片機；自動化；實驗平臺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.135

0 緒論

高等職業(yè)教育存在著學(xué)生動手能力不強、創(chuàng)新能力不高、工程實踐能力不足等問題。我們把培養(yǎng)技能型、應(yīng)用型人才作為高等職業(yè)教育的根本目標(biāo)。這就需要我們不斷加強實踐技能教學(xué)。實踐教學(xué)離不開實驗設(shè)備（平臺）的支撐，它是完成實踐教學(xué)的基礎(chǔ)與保證。所以設(shè)計一種適合自動化專業(yè)單片機與PLC課程的綜合實驗平臺就顯得十分必要。

1 綜合實驗平臺整體設(shè)計

本課題所研究的《自動化專業(yè)單片機與PLC綜合實驗平臺的設(shè)計》（以下簡稱：綜合實驗平臺）。是以PLC和單片機兩門專業(yè)核心課程為理論基礎(chǔ)；以問卷調(diào)查法為研究手段，對現(xiàn)有實驗平臺進行了分析。完成調(diào)查、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析等工作；得出有效、有理、有據(jù)的結(jié)論。為綜合實驗平臺的設(shè)計提供了可靠、合理的理論依據(jù)，明確了綜合實驗平臺設(shè)計的思路與方向。

1.1 問卷調(diào)查法在本課題中的應(yīng)用

問卷調(diào)查法，是一種社會調(diào)查研究中收集資料的工具。主要以問題的形式，是一種系統(tǒng)性記載調(diào)查內(nèi)容的文件，其目的是為了收集人們對于某個特定問題的態(tài)度行為特征、價值觀觀點等信息而設(shè)計的一系列問題。

1.2 調(diào)查問卷結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

依據(jù)調(diào)查問卷內(nèi)容，對自動化類及相關(guān)專業(yè)，約100名學(xué)生代表及部分教師進行了本次問卷工作，并作出了數(shù)據(jù)統(tǒng)計。具體結(jié)果及數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：

1.3 調(diào)查問卷結(jié)果的分析與總結(jié)

通過對問卷結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)四個題目中均有選項超過了被問卷人數(shù)的50%，說明了問卷中提到的問題具有明顯的代表性，反映了調(diào)查問卷的合理性；同時也反映出這些問題在廣大師生中的突出性。主要反映了以下幾個方面的問題；第一，實驗設(shè)備不夠真實、實驗過程與實驗結(jié)果不夠直觀，很難滿足不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)的需求；絕大部分師生希望實驗過程真實、直觀、生動。第二，學(xué)生希望能及時的對實驗效果做出有效的反饋，需要必要的評價系統(tǒng)。通過對本課題研究的前期問卷調(diào)查，我們找到了現(xiàn)有平臺的問題，了解了同學(xué)、教師對實驗的希望與要求，為新綜合實驗平臺的設(shè)計與構(gòu)成指明了改進的方向。

1.4 綜合實驗平臺的組成

綜合實驗平臺的主要使用對象是自動化類專業(yè)的學(xué)生和相關(guān)任課教師，根據(jù)調(diào)查問卷結(jié)果并結(jié)合實際需求，綜合實驗平臺可分為6個部分，如圖2所示。

2 綜合實驗平臺電氣系統(tǒng)設(shè)計

本課題所設(shè)計的主實驗臺采用AC220V＼50HZ的標(biāo)準(zhǔn)市電完成各單元供電，主要供電對象有：開關(guān)穩(wěn)壓電源、PLC主機、外置插座等。

直流穩(wěn)壓電源部分：本實驗平臺使用了DC12V/5A/40W、DC24V/10A/60W穩(wěn)壓開關(guān)電源各兩個，分別向直流可調(diào)電源、直流固定電源、儀表部分、學(xué)生評價單元、設(shè)備管理單元供電?？芍€(wěn)壓電源部分額定總功率為200W。PLC主機部分：本實驗平臺采用了FX2N-48系列PLC，該PLC可直接用交流220V供電。FX2N-48系列PLC，額定功率為100W。外置插座部分：實驗平臺提供了3組外置插座，額定總功率為400W。由前3項可知電氣系統(tǒng)的額定總功率約為700W，為了安全起見平臺總功率設(shè)定在1kW。

空氣開關(guān)與熔斷器的選?。阂罁?jù)系統(tǒng)總功率可知電氣系統(tǒng)的工作電流約為5A所以選用了220V/5A帶漏電保護裝置的交流空氣開關(guān)及熔斷器。開關(guān)電源的選?。焊鶕?jù)上文可知，本實驗平臺使用了DC12V、DC24V開關(guān)電源各兩個，分別向直流可調(diào)電源、直流固定電源、儀表部分、學(xué)生評價單元、設(shè)備管理單元供電，因為存在損耗所以額定總功率應(yīng)略大于200W。外置插座的選取：為了便于學(xué)生或設(shè)備使用人員給外部電器供電，本實驗平臺提供了3組外置插座。額定總功率為400W。

電源線（纜）的選用原則：一般執(zhí)行國家GB5013標(biāo)準(zhǔn)《額定電壓450/750V級以下橡皮絕緣電纜》標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備額定電流的取值范圍：電流不大于3A的（功率不大于660W），同時電源線（銅芯）的標(biāo)稱橫截面積的取值應(yīng)大于0.5 平方毫米。

3 綜合實驗平臺體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)前文所述需要滿足1-2人同時使用，所以主實驗臺總尺寸：長1840×寬750×高1400mm；為了便于組裝和維護實驗平臺以臺面為基準(zhǔn)可以設(shè)計為上下兩部分；實驗平臺臺面鋼板厚度為不小于2mm。（1）柜體鋼板厚度為：1.2mm，噴塑處理，顏色灰色。（2）電源、PLC主機控制屏、按鈕控制屏為鋁板厚度各為：3mm。（3）模板箱為1.2mm鋼板，模塊箱面板厚度為3mm鋁板、面板貼膜處理（顏色根據(jù)設(shè)計確定）。

綜合實驗平臺結(jié)構(gòu)與組成：分為PLC主機控制箱、單片機主控制箱、按鈕模塊、電源、評價模塊、設(shè)備管理模塊、實驗?zāi)K箱等。各部分均使用螺絲固定在操作臺上。實驗平臺的實驗?zāi)K箱由變頻器、主令電器、硬件電氣、傳感器、液壓與氣壓傳動、三相異步電機等6

（下轉(zhuǎn)第135頁）

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個模塊組成。為了便于實驗每個功能模塊箱可拆卸，實驗?zāi)K箱的外形尺寸都相同，只需保證面板內(nèi)容不同。同時保留計算機數(shù)據(jù)線的串線孔。綜合實驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

4 總結(jié)

綜合實驗平臺主要功能包括：PLC實驗系統(tǒng)、單片機實驗系統(tǒng)、學(xué)生評價系統(tǒng)。主要完成的工作如下：（1）以三菱PLC為控制核心結(jié)合工業(yè)級自動化器件，完成了PLC實驗系統(tǒng)的設(shè)計。以51單片機為控制核心結(jié)合工業(yè)級電子元器件，完成了單片機實驗系統(tǒng)的設(shè)計。（2）以51單片機為控制核心完成了學(xué)生評價系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，學(xué)生評價系統(tǒng)對實驗情況的及時反饋，促進了教師實驗教學(xué)方法的改進，滿足了學(xué)校、學(xué)生、教師的實際需求。（3）完成了實驗平臺相關(guān)模塊的電路設(shè)計、電路仿真、PCB繪制、程序編寫及調(diào)試。

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基金：西安交通工程學(xué)院中青年基金資助項目（編號：17K-24）研究成果

作者簡介：鄭凱（1986-），男，陜西戶縣人，工程師，研究方向：控制類。