自動化專業(yè)單片機(jī)與PLC綜合實驗平臺的設(shè)計

高等職業(yè)教育存在著學(xué)生動手能力不強(qiáng)、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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)的方向。

圖1
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。

圖２　綜合實驗平臺整體組成
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(jī)、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。可知穩(wěn)壓電源部分額定總功率為200W。PLC 主機(jī)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)與熔斷器的選取：依據(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(hù)裝置的交流空氣開關(guān)及熔斷器。開關(guān)電源的選取：根據(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(hù)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(jī)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(jī)控制箱、單片機(jī)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(jī)等6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(jī)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。

圖3　綜合實驗平臺臺體結(jié)構(gòu)
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(jī)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(jī)為控制核心結(jié)合工業(yè)級電子元器件，完成了單片機(jī)實驗系統(tǒng)的設(shè)計。（2）以51 單片機(jī)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(jìn)了教師實驗教學(xué)方法的改進(jìn)，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。