電氣自動化實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

郭寶林

【摘 要】電氣自動化技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的重要性非常明顯，對于人才的需求量也在不斷擴(kuò)大。作為電氣自動化專業(yè)的技術(shù)人員經(jīng)常需要在高校的培養(yǎng)基地被培養(yǎng)，自動化實(shí)驗(yàn)平臺的建立是非常有必要的，這個平臺可以提高教學(xué)效果。當(dāng)前國內(nèi)電氣自動化教學(xué)平臺建設(shè)參差不急，課題研究重點(diǎn)分析電氣自動化實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，滿足不同層次學(xué)生主干課程需求。隨著電氣自動化技術(shù)的發(fā)展，社會中大量需求有專業(yè)技術(shù)知識和復(fù)合型技術(shù)人才，學(xué)?，F(xiàn)有的自動化實(shí)驗(yàn)平臺僅僅能夠滿足教學(xué)需求，無法滿足社會對新人才的高水平需求。電氣創(chuàng)新能力與應(yīng)用能力在學(xué)生身上的體現(xiàn)能夠在此平臺上被培養(yǎng)，使學(xué)生去主動接觸該領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】電氣自動化；實(shí)驗(yàn)平臺；開發(fā)

1引言

電氣自動化技術(shù)是將計算機(jī)、信息技術(shù)以及控制理論對生產(chǎn)過程中控制優(yōu)化的綜合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高。想要實(shí)現(xiàn)電氣自動化技術(shù)，需要自動化硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的電氣自動化主要是人際界面、運(yùn)動控制器、接觸器、可編程邏輯控制器、變頻器、傳感器、斷路器、電源和變壓器等，在此平臺中的硬件部分以外，電氣自動化系統(tǒng)還被應(yīng)用其中。觸摸屏和被工業(yè)控制的計算機(jī)統(tǒng)稱為人機(jī)界面，作為近幾年使用最為廣泛的設(shè)備之一的觸摸屏，如手機(jī)屏幕，操作簡單、信息直觀、穩(wěn)定性強(qiáng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛使用。工作控制計算機(jī)也可以簡稱為 IPC，根據(jù)用途不同，所采用的設(shè)備也不同?？删幊踢壿嬁刂茩C(jī)簡稱為 PLC（可編程邏輯控制器），是現(xiàn)代工業(yè)自動化支柱之一，可以理解為小型計算機(jī)，能夠通過軟件編程。隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，自動化實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)也逐漸成熟，實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建中已經(jīng)開始有很多模塊組和而成?，F(xiàn)階段，國內(nèi)電氣自動化實(shí)驗(yàn)平臺更加先進(jìn)，功能相對健全，集成化程度也比較高，在科研領(lǐng)域、教學(xué)以及項(xiàng)目開發(fā)領(lǐng)域方面均得到廣泛應(yīng)用。

2電氣自動化實(shí)驗(yàn)平臺研究現(xiàn)狀

當(dāng)前高校自動化專業(yè)主干課程主要是測控實(shí)驗(yàn)、數(shù)字處理實(shí)驗(yàn)、虛擬儀器、數(shù)據(jù)庫、檢驗(yàn)技術(shù)等，這些內(nèi)容的開展對于學(xué)習(xí)都有一定的幫助，但是無法涵蓋自動化專業(yè)的所有課程，而且存在片面化特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)平臺可重復(fù)利用程度低。在電氣自動化實(shí)驗(yàn)平臺方面，國內(nèi)開展的實(shí)驗(yàn)室大致可以歸為三類，分別是可編程邏輯控制器硬件系統(tǒng)、虛擬仿真型、網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程型。可編程邏輯控制器硬件系統(tǒng)型主要開發(fā)可編程邏輯控制器實(shí)驗(yàn)平臺被應(yīng)用在教學(xué)當(dāng)中，作為被支持的計算機(jī)技術(shù)是以虛擬的仿真做基礎(chǔ)的，虛擬仿真被軟件開發(fā)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程型賦予電氣自動化控制系統(tǒng)更多新的功能。

可編程邏輯控制器硬件系統(tǒng)型是高校最常設(shè)置的一類實(shí)驗(yàn)平臺，能夠直接延時被控對象，了解可編程邏輯控制器原理，缺點(diǎn)在于開發(fā)能力差，只能夠形成簡單的邏輯控制實(shí)驗(yàn)。中南大學(xué)設(shè)置的可編程邏輯控制器實(shí)驗(yàn)平臺較為復(fù)雜，采用多門子可編程邏輯控制器組成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建生產(chǎn)線系統(tǒng)，能夠延時可編程邏輯控制器的控制效果，但是限制了其他被控對象。浙江大學(xué)設(shè)置的是邏輯控制器的可編程被網(wǎng)絡(luò)化在實(shí)驗(yàn)室中被實(shí)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)平臺處在硬件集中實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基礎(chǔ)上，以太網(wǎng)通信被融合當(dāng)中，可以被實(shí)現(xiàn)編程邏輯控制器之間、與其他執(zhí)行部件、與工作站等的通信。

虛擬仿真型是在可編程邏輯控制器傳統(tǒng)技術(shù)上誕生的，采用軟件虛擬仿真技術(shù)代替硬件設(shè)計，脫離了電氣自動化控制硬件，組件思路與傳統(tǒng)完全相反。虛擬仿真型可編程邏輯控制器實(shí)驗(yàn)平臺包括硬件結(jié)合被控對象的軟阿金虛擬仿真和可編程邏輯控制器聯(lián)通其他被控對象的系統(tǒng)仿真。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺理論上能夠?qū)崿F(xiàn)無限種類的被控對象，成本低，移植性高，能夠避免強(qiáng)電、機(jī)械等引起的實(shí)驗(yàn)危害，能夠滿足使用者每人一個實(shí)驗(yàn)平臺，但是沒有真實(shí)硬件教學(xué)系統(tǒng)好。

網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程型硬件實(shí)驗(yàn)室平臺建設(shè)也較常使用，搭建服務(wù)器和局域網(wǎng)，設(shè)計學(xué)校自身的網(wǎng)站，將實(shí)驗(yàn)室連接到網(wǎng)絡(luò)，提高開放性和共享性，學(xué)生能夠通過網(wǎng)絡(luò)訪問實(shí)驗(yàn)室平臺，并開展實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前南京理工大學(xué)自動化平臺設(shè)計中采用的是這種模式，在硬件實(shí)驗(yàn)平臺基礎(chǔ)上，添加數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、視頻監(jiān)控服務(wù)器以及 Web服務(wù)器等，提供遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問。

3 電氣自動化實(shí)驗(yàn)平臺總體設(shè)計

3.1總體結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)更多的功能，設(shè)計的電氣自動化試驗(yàn)平臺分為了不同的配置，分別包括電氣自動化基本實(shí)驗(yàn)平臺和綜合實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計。為充分體現(xiàn)學(xué)習(xí)由簡單到復(fù)雜的過程，設(shè)計電氣自動化實(shí)驗(yàn)平臺分為了電氣自動化化基本實(shí)驗(yàn)平臺和自動化專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)。變頻器、觸摸屏、繼電器、接觸器、觸摸屏伺服驅(qū)動器、可編程控制器等作為實(shí)驗(yàn)平臺中的電氣自動化專業(yè)方向的主要設(shè)備，除了可編程邏輯控制器基本邏輯控制之外，還需要實(shí)現(xiàn)通信功能、智能電機(jī)控制功能、接觸器電機(jī)啟動控制等?？删幊炭刂破髂軌蚺c組態(tài)軟件通過串口連接，實(shí)現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控。變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)對交流電機(jī)的控制，也能夠由可編程控制器進(jìn)行控制。

3.2基本實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

電氣自動化基本實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)采用HMI+ATV312+M218架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)組態(tài)軟件教學(xué)、計算機(jī)控制技術(shù)、可編程控制器等教學(xué)?？删幊踢壿嬁刂破髯鳛楸粚?shí)驗(yàn)用PLC，數(shù)字量為14組作為內(nèi)部設(shè)置，4組的快速輸出和10組的繼電器輸出，快速輸入為4點(diǎn)的計數(shù)功能被采用，可以實(shí)現(xiàn)控制多軸定位。通信接口用于RTS-485標(biāo)準(zhǔn)接口、Mini-USB接口，支持ASCII協(xié)議通信，能夠?qū)崿F(xiàn)與變頻器和觸摸屏的通信。采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信?？梢灾С肿疃?52個擴(kuò)展輸入輸出點(diǎn)。作為可編程邏輯控制器擴(kuò)展模塊與兼容模塊TM2DOCKN是專用的，主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊的兼容。主要通過TM218實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)平臺的擴(kuò)展功能。TM2ALM3LT是模擬量輸入輸出混合擴(kuò)展模塊，能夠輸出0～10V電壓，輸入0～20m A電流。變頻器的輸出頻率范圍0～500Hz，內(nèi)置CANopen通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與其他控制設(shè)備的通信，能夠?qū)崿F(xiàn)啟動和調(diào)速實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，也可以通過外來的電壓或者電流信號交流電機(jī)能夠被良好控制。電機(jī)保護(hù)、電機(jī)啟動集于一體可以被實(shí)現(xiàn)，通過模塊化和高度集成化的啟動電機(jī)設(shè)備通過工業(yè)電腦控制的啟動器得以實(shí)現(xiàn)，占用空間小，能夠保護(hù)電機(jī)，避免電機(jī)運(yùn)行時間過長、短路、欠載、相電流不均衡等，同時可以實(shí)現(xiàn)Modbus、Device Net可擴(kuò)展通信模塊。交通電機(jī)的控制也可以由變頻器控制。觸摸屏軟件可以通過編程實(shí)現(xiàn)，具有Mini USB接口程序下載，配置了兩個窗口通信功能，可以實(shí)現(xiàn)與多種控制器的通信連接。

結(jié)束語

綜上所述，自動化實(shí)驗(yàn)平臺屬于自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，繼承現(xiàn)今高新技術(shù)技術(shù)和設(shè)備等，知識覆蓋面更廣，具有一定的自主性、先進(jìn)性和綜合性特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)采用模塊化設(shè)計，具有很高集成度，能夠?yàn)閷W(xué)生提供更大的實(shí)驗(yàn)平臺，不僅能夠支持基本教學(xué)，同時也能夠?yàn)閷W(xué)生提供個性化實(shí)驗(yàn)，有助于自主課外活動的開展。設(shè)計電氣自動化實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)有助于相關(guān)課程的開展。通過實(shí)驗(yàn)平臺，能夠增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識，激勵學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)，逐漸提高學(xué)生的學(xué)習(xí)思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。通過針對不同人群學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)，也能夠培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力、分析能力等。

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