一种高职电工实训教学装置的设计与应用

李冰

[摘 要] 为了提高电工实训课程的教学质量和技术水平，改善武汉铁路职业技术学院电工实训室办学条件，探索电工实训在职业教育人才培养体系中培养具有创新能力的应用型电工技能人才的教育作用，基于现代电工技术理论和电气控制技术，设计出一款基于西门子S7系列可编程逻辑控制器和台达VFD-M变频器的电工实训教学装置，该装置还包括继电接触器、三相异步电动机、触摸屏等常用低压电气控制系统基本配置。该装置将电气控制理论教学与电工实验实训有机结合，同时还可以满足维修电工等技能鉴定考核对硬件设备的需求，为培养学生良好的实践与创新能力创造了条件。

[关 键 词] 电工实训；PLC；变频器；实训装置

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）08-0120-02

一、引言

电工实训是理工类高职院校所开设的专业基础实训课程，是学生在学完电工电子技术课程和现代控制理论课程后学习的一门重要的实践课程，其开设目的主要是锻炼学生的实际操作技能，培养其成为一名熟练掌握电工理论与技术的技能型人才[1]。由于工业控制计算机技术和变频控制理论、制造工艺的不断发展，PLC、变频器等先进技术正逐渐取代传统继电接触控制设备而广泛地应用到了工业控制领域的各个环节，因此传统继电接触电工实训装置已不能满足培养现代电工技能人才的教学要求，针对于此，本文提出了一种基于PLC和变频器的现代电工实训教学装置的设计方案，该装置在传统继电接触电工实训装置设计中加入了支持现代电气控制理论技术的实训考核模块，从而使学生在实训的过程中既能巩固电工技术课程的基础知识和技能，又能适应时代发展，学习和掌握PLC、变频器等现代控制理论技术，同时该装置还可以满足初级、中级、高级维修电工等职业技能鉴定的设备需求。

二、系统研发

（一）基本设计思想

现代电工实训教学装置的设计思路是以培养学生的实际操作技能为主要目的，以适应现代电气控制理论发展为出发点，着重培养学生的职业基本素养、解决实际问题的能力和电工操作技能。该装置的主要设计思想可概括如下：（1）强调基础电工技能实训与现代电气控制理论技术实训并重，完成传统继电接触控制实训项目的同时兼具PLC、变频器的基本实训内容，如频率控制、PID控制等。（2）能满足不同专业、不同层次职业学生的电工实训需求，具备较广的适用性和良好的通用性。（3）系统所涉及的元器件应具有良好的开放性和较高的安全性，授课教师可以直接将设备实体拆卸后作为教具给学生做讲解，同时为后期设备维护提供便利。系统应满足工业控制现场环境要求，具有较高的可靠性。（4）参训学生可根据不同实训科目来搭建实训场景，具备良好的可扩展性。

（二）系统的总体结构与组成

根据上述设计思路，本文提出的现代电工实训教学装置主要分为四个部分：输入设备：按钮开关、断路器、行程开关、传感器等；逻辑控制模块：中间继电器、时间继电器、热继电器、PLC等；执行机构：变频器、交流接触器等；其他机构：电动机、触摸屏、指示灯、电源模块等。

采用西门子公司S7-200系列PLC来完成数据处理及控制输出，其数字量输入、数字量输出模块为EM223，模拟量输入模块为EM235。该PLC配置灵活，结构紧凑，功能较为全面，非常适合作为实训教学设备使用[2]。

触摸屏采用台达DOP-B07S401K，该触摸屏可以在有限空间内提供最大显示区域，具有USB快速上下载功能，3组通讯端口，支持RS-232/422/485通讯等，通过其组态软件DOPSoft来设计人机交互界面，进行指令操作和参数设置，并显示PLC的工作状态、控制过程。该触摸屏可以使学生非常直观地了解工业现场的电气控制操作[3]。

变频器主要采用台达VFD022M43B高功能低噪音迷你型变频器，空间占用率小，其输出频率为0.1～400Hz，V/F曲线可调，并具有可自动转矩提升与自动滑差补偿功能，主要用于对三相异步电动机进行调速控制，使学生熟练掌握变频器的参数设置和访问。

柜体采用金属材质，通过表面喷塑使其具有一定绝缘性，柜体采用保护接地，使机体外壳对地电位为零。使用三相五线制供电方式，由带漏电保护的空气开关控制，漏电时自行断电。使用220V电压给开关电源供电，开关电源输出24V电压作为PLC和报警保护模块电源，380V作为三相异步电动机主电路电源。柜体中采用可拆卸安装方式设置有交流接触器、热继电器、时间继电器、按钮开关、行程开关等常用低压电器元件，方便学生实训时安装与接线。本装置各元器件、模块安装布局如下图所示。

（三）系统的教学特点

1.适应自动控制技术的发展。本现代电工实训教学系统既可以让学生通过简单的继电接触控制电路实训来掌握基础电工理论知識与技能，还可以通过PLC、变频器等实训科目来使学生更快地适应社会技术水平的发展，从而更好掌握PLC等现代电气控制理论技术。通过将PLC控制、变频器调速以及人机界面动态系统等各种先进技术进行有效整合，使学生在实训的过程中全面接触各种控制形式，并对整个自动控制领域的发展趋势有一定了解和掌握。

2.理论与实践的完美结合。本装置大部分低压电器元件均可拆卸，学生在实训时具有很强的直观性，通过大量的实际动手练习，如低压电器元件的认知、安装、接线，PLC的程序编写、变频器的调试等，可以有效提高学生技能操作水平和解决问题的能力。实训时，学生首先要熟练掌握训练科目的电气控制原理，画出电路图和接线图，分别连接好控制电路和主电路，并完成PLC的程序编写和组态设计，最后调试系统并解决出现的问题，整个过程包含了电气控制原理设计、安装与调试，从而使学生在实训过程中做到理论与实践的结合。

3.良好的开放性和扩展性。本装置实训科目涉及面比较广泛，涵盖了传统的继电接触控制、PLC控制、电动机调速控制、伺服电机等。由于大部分元器件和模块均可拆卸，实训指导老师可以通过增减电器元件、执行部件及功能模块来模拟各种工业控制环境，也可以与其他设备进行现场联机，因此本装置的开放性、扩展性较好。

三、实训内容及案例

（一）实训内容设计

本装置主要通过开展以继电接触控制电路为主的实训项目来提升学生的电工基础技能与逻辑思维能力；通过开展以PLC、变频器为主的实训项目来锻炼学生现代电气控制理论的应用能力；通过开展触摸屏组态软件编程实训来进一步提高学生的技能水平；通过开展以PLC、变频器、组态技术、工业网络的综合性创新实训项目，锻炼学生对系统设计、技术运用、专业技能的综合应用能力。

根据不同专业、不同层次的教学需求，依照“由浅入深，从简单到复杂”的实训项目设计原则。本装置的实训内容可以分为以下四个部分：（1）以继电接触控制电路为主的电气控制实训项目。通过低压电器元件的认知、选型、安装、接线和调试，完成传统继电接触逻辑控制电路，实现不同的控制要求。如，三相异步电动机的点动控制、双重联锁控制的正反转、时间继电器控制的降压启动电路等。（2）以PLC、变频器为主的电气控制实训项目。通过开展这类实训项目来使学生熟练掌握PLC的指令系统及编程方法，了解变频器参数的访问和设定，熟悉PLC和变频器的控制关系，如通过变频器控制三相异步电动机的正反转运行等。（3）以组态软件编程为主的实训项目。通过完成组态软件程序的编写，使学生完成对电气控制系统的仿真监控，并学会将组态软件与PLC连接起来，通过画面显示PLC的控制状态，实现各种控制动作。（4）综合性创新实训项目。本装置有良好的扩展性，因此实训指导老师可以根据设备条件自由命题，设计综合性创新实训项目。如基于PLC的立体车库控制系统、电梯运行控制系统等。

（二）实训案例

某广场音乐喷泉共有80个喷嘴，其所喷水柱的高度取决于变频器的频率输出，使用变频器同时驱动两台潜水泵，设计出能满足以上要求的电气控制系统，并完成該系统的安装与调试。

该实训项目为综合性创新实训项目，学生首先需要按要求设计出电气控制装置并完成安装，并完成PLC程序的编写和变频器的参数设置。

四、结语

本文所设计的基于PLC与变频器的电工实训教学装置通过将现代电气控制设备与传统继电接触式电工实训装置有机结合，为学生创建了一个具有高度扩展性和良好开放性的电工技能实践平台。该装置结构紧凑，综合性强，应用性好，维护成本低，在教学体系上将理论知识、技术应用、操作技能和创新能力培养集于一身，适用于职业教育中电工实训多层次教学，并且满足了目前应用型创新型人才的培养要求，具有良好的应用与推广价值。

参考文献：

[1]肖看，尹仕，严国萍.创新型电工电子全开放实验教学模式探索与实践[J].实验室研究与探索，2010（4）：30-34.

[2]郝宁眉，周兰娟，陈璨.基于创新性教学模式之电工电子学实习改革与实践[J].价值工程，2011（10）：9-10.

[3]赵春峰，陈国民，范晓兰.基于PLC的电工实习教学装置的研发[J].实验室研究与探索，2013，32（1）：136-142.