基于创新模式的PLC实训平台设计与研制

摘要：根据PLC课程教学现状，针对传统实验箱内部结构封闭，实训项目简单、固定，输入信号用按钮或开关代替，输出控制为几个指示灯来模拟，只能验证软件指令的编写，学生不能真正掌握PLC的应用技能的特点，设计与开发了基于创新模式的PLC实训平台。该平台支持多种工业现场传感器的应用，提供多元化的自主设计类综合性实训项目，加强了PLC应用的灵活性，锻炼了学生分析、解决实际问题的能力，提高了学生学习的积极性，极大增强了自动化专业学生的专业技能。

关键词：创新 实训平台 PLC 自主设计

1 概述

目前可编程序控制器（programmable logic controller，PLC）技术是自动控制主流技术之一。PLC课程特点是技术新、强调理论而更偏重实践应用。以往的教学模式侧重于理论教学，常规的PLC控制实验箱，内部结构完全封闭，学生只需要对实验箱进行插拔式的操作即可完成实验，学生缺乏兴趣和主动性，理论教育与实际工程严重脱节。常规的实训箱，控制对象为固定的十字路口红绿灯指示、指示灯式机械手和指示灯式的电梯等，实训内容固定，只能进行验证性的实训[1]，实训结果就是一些指示灯亮灭，学生缺乏兴趣和主动性，理论教育与实际工程严重脱节。实训模型相对效果较好，与真实设备相近，但占地面积大，费用高，维修麻烦，不能大面积推广，学生使用率低。

以提高学生提高实践能力为目的，以就业岗位需求为目标，紧密结合最新技术，以课程教学改革为背景开发建设PLC实训平台，该平台提供了自主设计方法，满足创新性的实训项目，提高学生运用PLC的技能，为以后深入学习PLC控制系统打下坚实的基础[2]，真正实现了学生毕业后在PLC技术应用领域“零距离上岗”的最终教学目标。该平台采用便携式，经济实用，有利于大面积推广。

2 实训平台总体设计

实训平台按区域设计，设计了步进电机实训区、传感器实训区、霓虹灯实训区、十字路通指挥实训区、脉冲信号处理实训区、按钮区六个自主设计实训区，图1为系统布局图，图2为实训平台图片。

PLC实训平台以常见工业现场信号和控制设备为背景设计，其中，按钮区、传感器实训区、脉冲信号处理实训区为PLC提供各类工业现场信号，有开关量信号、OC门信号、模拟量信号、脉冲信号、旋转编码器信号；步进电机实训区、十字路通指挥实训区、霓虹灯实训区为PLC提供多种输出控制设备，有PTO控制、LED控制、开关量控制。以锻炼学生对各类输入信号、控制设备的连接及编程能力。

3 实训平台硬件设计

在方案设计的基础上，利用电路设计自动化（EDA）软件完成实训平台电路原理图和PCB 图的设计，进而完成电路板的印制。

实训平台中的传感器实训区、步进电机实训区、脉冲信号处理实训区的硬件设计较为特殊，具体设计如下。

3.1 传感器实训区硬件设计

该实训区设计了电感接近开关、电容接近开关、光电接近开关、霍尔传感器、热电阻、颜色传感器，其中前4种传感器为NPN型OC门输出，热电阻为模拟量输出，颜色传感器为电平输出，各传感器没有内部接地外，实训时需外部用跳线接地。

颜色传感器实训时，对光照强度要求比较严格，必须在合适的光线照射下才能使用，如光线较暗时，通过滤光片的光量不够，将检测不出正确的颜色。此时的现象是，R、G、B端口输出的电平状态不是对应的颜色值或输出全是低电平。

3.2 脉冲信号处理实训区硬件设计

该实训区设计了两路方波输出，用来模拟脉冲式信号和旋转编码器信号，两路方波输出频率范围是30HZ到30KHZ，峰峰值为+24V，占空比是1到254个等级可调。要改变占空比，需将开关置于OFF位置，数码管显示频率，当改变占空比时，数码管会显示当前占空比等级，显示时间为3S，然后返回到显示当前频率；将开关打到ON位置，两路方波相位相差90度，此时占空比不可调，恒为50%，频率可调。

3.3 步进电机实训区硬件设计

该实训区设计了步进电机及驱动器，提供四个PLC控制端口，分别为OPTO、CP、DIR、FREE四个端口。OPTO为接地端口；CP为控制脉冲输入口，脉冲幅值为+24V，每来一个脉冲，步进电机转动7.5个角度，转一周需48个脉冲；DIR为步进电机方向控制口，低电平时正转，高电平时反转；FREE步进电机使能接口，高电平有效使能，步进电机处于自由状态，不断电的情况下，人工可转动。

4 实训项目设计

该平台提供了10个以上由学生自主设计、创新综合性实训项目，难度逐步提升。执行“以学生为中心”的实训教学的创新理念，结合传统实训项目，对不同阶段、不同层次的学生因材施教。目前，可实现10个以上自主设计、创新型、综合性实验项目[2]，这些项目都可以由学生自主在实训平台上完成，根据自己掌握情况，可易可难，完全进行实际工程项目演练。这些项目有：

①开关量信号的PLC处理技术实训；

②NPN型OC门信号的PLC处理技术实训；

③物料传感器检测实训；

④电压模拟信号的PLC采集技术实训；

⑤高速脉冲的PLC采集技术实训；

⑥旋转编码器的PLC采集技术实训；

⑦PLC驱动LED数据显示实训；

⑧PLC对步进电机的控制方案与实施实训；

⑨十字路通指挥系统实训；

⑩PLC驱动霓虹灯实训；

PLC继电器控制技术实训；

PLC晶体管输出控制实训。

5 结束语

设计了12个PLC实训项目，根据安排的基本流程，学生可自主创新设计实训内容，并完成整个实训过程的创新训练，有利于培养学生的动手能力和创新能力。

基于该平台和创新实验项目设计方法，作者指导了两届高职学生完成PLC的创新实训项目，学生从方案制定、原理图绘制、I/O分配、PLC 程序编制和调试，并最终完成创新实训项目的报告，这个完整的流程，对学生的综合训练取得了良好的效果。

参考文献：

[1]胡兆勇，刘漫丹，郭钟宁，成思源.基于虚拟PLC的创新实验项目[J].实验室研究与探索，2012（11）：89-91.

[2]许建凤，傅永锋.多模式PLC实训平台设计与研制[J].实验技术与管理，2012（11）：65-67.

[3]梁伟宏.PLC程序设计方法的探索与实践[J].价值工程，2011（06）.

作者简介：严俊，男，四川宣汉人，湖南铁道职业技术学院教师，讲师，工程师，研究方向为自动控制技术。