单片机与PLC综合实验平台

  
高等职业教育存在着学生动手能力不强、创新能力不高、工程实践能力不足等问题。我们把培养技能型、应用型人才作为高等职业教育的根本目标。这就需要我们不断加强实践技能教学。实践教学离不开实验设备(平台)的支撑,它是完成实践教学的基础与保证。所以设计一种适合自动化专业单片机与PLC 课程的综合实验平台就显得十分必要。
1 综合实验平台整体设计
本课题所研究的《自动化专业单片机与PLC 综合实验平台的设计》(以下简称:综合实验平台)。是以PLC 和单片机两门专业核心课程为理论基础;以问卷调查法为研究手段,对现有实验平台进行了分析。完成调查、数据收集、数据分析等工作;得出有效、有理、有据的结论。为综合实验平台的设计提供了可靠、合理的理论依据,明确了综合实验平台设计的思路与方向。
1.1 问卷调查法在本课题中的应用
问卷调查法,是一种社会调查研究中收集资料的工具。主要以问题的形式,是一种系统性记载调查内容的文件,其目的是为了收集人们对于某个特定问题的态度行为特征、价值观观点等信息而设计的一系列问题。
1.2 调查问卷结果的数据统计
依据调查问卷内容,对自动化类及相关专业,约100 名学生代表及部分教师进行了本次问卷工作,并作出了数据统计。具体结果及数据统计如下:
1.3 调查问卷结果的分析与总结
通过对问卷结果的数据统计,发现四个题目中均有选项超过了被问卷人数的50%,说明了问卷中提到的问题具有明显的代表性,反映了调查问卷的合理性;同时也反映出这些问题在广大师生中的突出性。主要反映了以下几个方面的问题;第一,实验设备不够真实、实验过程与实验结果不够直观,很难满足不同层次学生学习的需求;绝大部分师生希望实验过程真实、直观、生动。第二,学生希望能及时的对实验效果做出有效的反馈,需要必要的评价系统。通过对本课题研究的前期问卷调查,我们找到了现有平台的问题,了解了同学、教师对实验的希望与要求,为新综合实验平台的设计与构成指明了改进的方向。

图1
1.4 综合实验平台的组成
综合实验平台的主要使用对象是自动化类专业的学生和相关任课教师,根据调查问卷结果并结合实际需求,综合实验平台可分为6 个部分,如图2 所示。

图2 综合实验平台整体组成
2 综合实验平台电气系统设计
本课题所设计的主实验台采用AC220V\50HZ 的标准市电完成各单元供电,主要供电对象有:开关稳压电源、PLC 主机、外置插座等。
直流稳压电源部分: 本实验平台使用了DC12V/5A/40W、DC24V/10A/60W 稳压开关电源各两个,分别向直流可调电源、直流固定电源、仪表部分、学生评价单元、设备管理单元供电。可知稳压电源部分额定总功率为200W。PLC 主机部分:本实验平台采用了FX2N-48 系列PLC,该PLC 可直接用交流220V 供电。FX2N-48 系列PLC,额定功率为100W。外置插座部分:实验平台提供了3 组外置插座,额定总功率为400W。由前3 项可知电气系统的额定总功率约为700W,为了安全起见平台总功率设定在1kW。
空气开关与熔断器的选取:依据系统总功率可知电气系统的工作电流约为5A 所以选用了220V/5A 带漏电保护装置的交流空气开关及熔断器。开关电源的选取:根据上文可知,本实验平台使用了DC12V、DC24V 开关电源各两个,分别向直流可调电源、直流固定电源、仪表部分、学生评价单元、设备管理单元供电,因为存在损耗所以额定总功率应略大于200W。外置插座的选取:为了便于学生或设备使用人员给外部电器供电,本实验平台提供了3 组外置插座。额定总功率为400W。
电源线( 缆) 的选用原则:一般执行国家GB5013 标准《额定电压450/750V 级以下橡皮绝缘电缆》标准。设备额定电流的取值范围:电流不大于3A 的( 功率不大于660W),同时电源线( 铜芯) 的标称横截面积的取值应大于0.5 平方毫米。
3 综合实验平台体结构设计
根据前文所述需要满足1-2 人同时使用,所以主实验台总尺寸:长1840× 宽750× 高1400mm;为了便于组装和维护实验平台以台面为基准可以设计为上下两部分;实验平台台面钢板厚度为不小于2mm。(1)柜体钢板厚度为:1.2mm,喷塑处理,颜色灰色。(2)电源、PLC 主机控制屏、按钮控制屏为铝板厚度各为:3mm。(3)模板箱为1.2mm 钢板,模块箱面板厚度为3mm 铝板、面板贴膜处理(颜色根据设计确定)。
综合实验平台结构与组成:分为PLC 主机控制箱、单片机主控制箱、按钮模块、电源、评价模块、设备管理模块、实验模块箱等。各部分均使用螺丝固定在操作台上。实验平台的实验模块箱由变频器、主令电器、硬件电气、传感器、液压与气压传动、三相异步电机等6个模块组成。为了便于实验每个功能模块箱可拆卸,实验模块箱的外形尺寸都相同,只需保证面板内容不同。同时保留计算机数据线的串线孔。综合实验平台结构示意图,如图3 所示。

图3 综合实验平台台体结构
4 总结
综合实验平台主要功能包括:PLC 实验系统、单片机实验系统、学生评价系统。主要完成的工作如下:(1)以三菱PLC 为控制核心结合工业级自动化器件,完成了PLC 实验系统的设计。以51 单片机为控制核心结合工业级电子元器件,完成了单片机实验系统的设计。(2)以51 单片机为控制核心完成了学生评价系统的软硬件设计,学生评价系统对实验情况的及时反馈,促进了教师实验教学方法的改进,满足了学校、学生、教师的实际需求。(3)完成了实验平台相关模块的电路设计、电路仿真、PCB 绘制、程序编写及调试。