湖北工程職業(yè)學(xué)院 李新生

本文通過采用邏輯控制電路，構(gòu)成PLC/單片機(jī)通用實(shí)訓(xùn)裝置，提高實(shí)訓(xùn)效率，保障安全性。

高職院校自動化類專業(yè)，普遍開設(shè)PLC及單片機(jī)專業(yè)課程?，F(xiàn)階段理實(shí)一體的教學(xué)模式，在多數(shù)學(xué)校推廣，因而配套實(shí)訓(xùn)設(shè)備需求量大。開發(fā)一種方便操作，高實(shí)驗(yàn)效率，通用性強(qiáng)的實(shí)訓(xùn)臺很有必要。

一、現(xiàn)行PLC實(shí)訓(xùn)臺，單片機(jī)實(shí)訓(xùn)箱等產(chǎn)品，滿足一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)，但存在著一下缺點(diǎn)：

實(shí)驗(yàn)效率低：每次實(shí)驗(yàn)都需要重新連接導(dǎo)線，隨著教學(xué)的深入，接線愈來愈多，占用時間越來越長，降低了教學(xué)效率。并且接線過多，更易出現(xiàn)操作錯誤等方面的問題。

安全性問題：一般PLC采用220V電壓及24V電壓，在學(xué)生操作中容易出現(xiàn)損壞設(shè)備，還有一定出現(xiàn)人身安全問題的可能性。

單片機(jī)和PLC實(shí)訓(xùn)不能通用：單片機(jī)和PLC適用范圍有很多類似之處，學(xué)習(xí)中可互相借鑒，融會貫通。PLC/單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置的通用性可以增強(qiáng)兩門課程的學(xué)習(xí)效能。

二、針對上述教學(xué)問題，分析PLC課程與單片機(jī)課程的教學(xué)要點(diǎn)，歸納出通用PLC、單片機(jī)實(shí)訓(xùn)設(shè)施的教學(xué)范疇，開發(fā)出PLC、單片機(jī)通用實(shí)訓(xùn)臺，應(yīng)具備下述特點(diǎn)：

1.能同時適應(yīng)初級使用者，完成IO連接，基本指令編程調(diào)試操作；

2.能完成進(jìn)階學(xué)習(xí)者編程實(shí)訓(xùn)，為提高實(shí)訓(xùn)效率可快速連接IO；

3. 能完成熟練使用者開發(fā)應(yīng)用設(shè)備能力，能勝任技能競賽考核裝置；

4.采用近幾年流行的新型PLC；

5.具備自動控制仿真能力；

6.整機(jī)進(jìn)行人機(jī)工程開發(fā)，改變傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺，整體雜亂現(xiàn)象更加宜人，美觀實(shí)用；

7.提升功能，一臺多用，不僅能完成PLC實(shí)訓(xùn)，也可以完成單片機(jī)開發(fā)等實(shí)訓(xùn)功能；

三、實(shí)訓(xùn)裝置構(gòu)成特點(diǎn)如下：

1.實(shí)訓(xùn)設(shè)施總體構(gòu)成，在保證功能的前提下，提供操作者良好的工作現(xiàn)境。新型實(shí)訓(xùn)臺集成了工控計算機(jī)。專業(yè)設(shè)計的顯示器直接嵌入操作界面，整機(jī)高度1.42米，操作臺面高度0.7米，非常適合學(xué)生坐姿操作。實(shí)驗(yàn)臺長1.6米，可供兩名學(xué)生同時學(xué)習(xí)，互相探討，實(shí)訓(xùn)裝置如圖1所示。

該實(shí)訓(xùn)設(shè)施由柜體，電源模塊，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目選擇電路，PLC模塊、單片機(jī)編程模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、工控機(jī)等組成。

柜體作為整個實(shí)訓(xùn)裝置的安裝平臺；電源模塊控制每部分電源供給；實(shí)訓(xùn)電路選擇模塊用于選擇要進(jìn)行的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)?zāi)K用于完成PLC單片機(jī)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；PLC模塊可以根據(jù)需求配置24點(diǎn)～48點(diǎn)各種品牌PLC控制器（CPU），單片機(jī)編程模塊包含最小系統(tǒng)、IO輸入輸出，通訊口等功能，實(shí)訓(xùn)時，PLC或單片機(jī)只能選用1項(xiàng)；工控機(jī)模塊用于工控機(jī)輸入輸出模擬、組態(tài)軟件實(shí)訓(xùn)、對PLC或單片機(jī)編程。

圖1 PLC/單片機(jī)通用實(shí)訓(xùn)裝置構(gòu)成

2.硬件設(shè)計上綜合平衡：一般來說30-40點(diǎn)左右的小型PLC既可滿足使用要求。三菱系列、西門子系列、歐姆龍系列及其它系列可根據(jù)需求選配；為使實(shí)訓(xùn)臺能同時進(jìn)行PLC教學(xué)，單片機(jī)教學(xué)兩用。實(shí)驗(yàn)臺設(shè)置了單片機(jī)開發(fā)板，可以使用實(shí)驗(yàn)臺中l(wèi)O裝置進(jìn)行單片機(jī)編程實(shí)習(xí)?？赏瓿蒊O控制、模擬量控制、字符顯示、定時計數(shù)等項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。同時實(shí)訓(xùn)臺要做到同時兼容PLC標(biāo)準(zhǔn)電壓24V，及單片機(jī)實(shí)訓(xùn)所需電壓5V，接口電路在傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺基礎(chǔ)上作相應(yīng)調(diào)整，單片機(jī)開發(fā)板可以直接連接實(shí)訓(xùn)裝置。

3.電源模塊提供交流380V、220V、直流5V電源，供其它模塊使用。供電電路采用漏電保護(hù)空氣斷路器、實(shí)訓(xùn)裝置主電路采用直流5V電壓供電，每組電源均采用單獨(dú)的熔斷器，以解決實(shí)驗(yàn)過程中安全性問題。各組電壓均采用數(shù)字電壓表顯示，直觀方便。

4.各實(shí)訓(xùn)模塊共同制成一塊PCB板，所有輸入端按照X01、X02…順序?qū)?yīng)相連，輸出端按照Y01、Y02…順序?qū)?yīng)相連，工作時哪個模塊接入電路，由實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目選擇電路管理。學(xué)生實(shí)訓(xùn)時，無需每個實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目重復(fù)接線、拆線，用于編程等核心能力操作時間比例增加，從而提升了教學(xué)效率。

5.實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目快速選擇電路，是本實(shí)訓(xùn)裝置的核心管理部分，是提高實(shí)踐教學(xué)效率的關(guān)鍵：多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用邏輯電路管理，IO端子共用，通過實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目選擇器快速選通實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如圖2。

圖2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目選擇原理

圖2中，MCU構(gòu)成管理實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的選擇模塊，采用兩塊LED8字?jǐn)?shù)碼管顯示實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可以由開關(guān)選擇，項(xiàng)目數(shù)一般不超過16個，每模塊均有Q1、Q2等組成的選通電路。Y選通為模塊提供電源，X選通使代表輸入點(diǎn)的開關(guān)是否接入電路。每模塊可以有多個輸入點(diǎn)可以使用。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過單片機(jī)選擇，LED數(shù)碼管顯示選擇的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選通端低電平有效。

選通信號有效時，通過R1使晶體管Q1導(dǎo)通，提供實(shí)驗(yàn)?zāi)K電源，使Y選通；通過R3，點(diǎn)亮D1，顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)K工作狀態(tài)；通過R4使Q2導(dǎo)通，使D2處于可導(dǎo)通狀態(tài)，S1可接入，完成X選通。

選通電平為高電平無效時，Q1、Q2截止，實(shí)驗(yàn)?zāi)K因無電源供給，停止工作，指示燈D2熄滅。因Q2截止，D2無法接通，開關(guān)K1無法接入輸入回路。

6.增加工控機(jī)模塊，工控機(jī)模塊由主板、MSSD硬盤、DDR3內(nèi)存條、IO口、14寸WVGA液晶顯示屏、輸入輸出模塊等組成，可升級14寸觸摸屏。工控主板直接安裝于實(shí)訓(xùn)臺內(nèi)部，多組串口便于連接工控設(shè)備、遠(yuǎn)程控制模塊，使實(shí)訓(xùn)臺具備系統(tǒng)開發(fā)功能。微型工控主機(jī)工作穩(wěn)定，功耗低。內(nèi)置工控機(jī)系統(tǒng)，可運(yùn)行組態(tài)王等工控軟件，PLC編程軟件、單片機(jī)編程軟件，擴(kuò)展了PLC實(shí)訓(xùn)臺功能。

四、教學(xué)對比實(shí)驗(yàn)

選取同年級、電氣自動化專業(yè)40人兩個班級，分別安排在傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺和本實(shí)訓(xùn)臺理實(shí)一體教學(xué)，PLC均采用三菱FX-3U，經(jīng)過2年教學(xué)對比驗(yàn)證，該設(shè)施60學(xué)時教學(xué)可以達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)施84學(xué)時教學(xué)效果，明顯提高了教學(xué)效率。

結(jié)論：總吸收現(xiàn)行PLC、單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置優(yōu)點(diǎn)，去除其低效、功能單一的缺點(diǎn)，開發(fā)高教學(xué)效率、多功能的PLC/單片機(jī)實(shí)訓(xùn)設(shè)施是可以實(shí)現(xiàn)的。