开放式电气实训平台研究与设计

解丹婷

（陕西能源职业技术学院 煤炭与化工产业学院，陕西 咸阳 712000）

电气实训平台是电气相关专业实验室必备的教学设备，而该类实训设备大多是将元器件封装在装置外壳内，是封闭式结构，学生只能进行演示性或验证性实验，提供真正动手分析、设计、搭建和调试电路的机会很少，限制了学生动手能力和创新能力的培养。开放式实训平台可以满足实训人员根据实训线路自行进行元器件的合理布局，安装与接线的全部过程，接近工业现场[1]。能完成电机与拖动控制线路、液压控制线路等安装调试的综合实训，培养实训人员动手能力和实操技能[2]。本文提出的开放式电气实训平台主要由实训桌、实训板和实训元器件组成，包含多个实训模块，能够满足电气类多门专业课程相关实验实训要求，学生可以动手完成线路搭建、调试与验证全过程，有效提升学生实训动手操作与创新分析能力。

1 实训平台机械结构设计

现有的电气实训装置中实训板的角度多为固定的，不能根据不同身高实训人员作出相应的角度调节，较高身高实训人员在操作时往往需要低着头，长时间操作下，则会出现颈部酸疼的现象，鉴于此，设计了一种角度可调的电气实训平台，以满足不同身高实训人员的需求，避免出现长时间低头导致颈部酸疼的现象，降低实训人员的疲劳感，增加操作时的舒适度[1]。

实训平台结构如图1和图2所示，包括工作台1和实训板2。工作台的两侧靠后端设有对称固定的支撑架3，支撑架之间设有连接板4；实训板安装在连接板上，且连接板上设有调节实训板旋转角度的调节机构，调节机构包括对称设立的调节单元，包括升降杆5、螺纹杆6、连接杆7和移动块8[1]。

图1 电气实训平台的主视图

图2 电气实训平台的侧视图

连接板内部结构如图3所示，设有条型槽9，升降杆的一端滑动连接在条型槽内，且升降杆的底端设计有螺纹槽10，升降杆的另一端转动连接有连接杆，连接杆的另一端与实训板固定连接，螺纹杆转动设于条型槽内，且螺纹杆的顶部安装于螺纹槽内，2个螺纹杆通过皮带轮组件传动连接，且其中1个螺纹杆穿至连接板底面的端部安装有转轮，工作台的顶面开设有滑槽，移动块滑动连接在滑槽内，且移动块的顶面与实训板的底面转动连接[1]。

图3 调节组件的放大图

通过设置调节机构，可调节实训板的旋转角度，使其满足不同身高实训人员的装配需要，避免实训人员长时间低头导致颈部出现酸疼的现象，降低了实训人员的疲劳感。具体操作时，只需转动连接板底面的转轮12，通过皮带轮组件11可带动2个螺纹杆同步转动，在螺纹杆转动过程中，螺纹杆顶部与螺纹槽配合带动升降杆在条型槽内进行上下移动，配合升降杆顶部设置的连接杆及实训板底部设置的滑块，从而实现对实训板角度的调节[1]。

其中，支撑架的底部固定设有底板14，底板的底部对称设计有2个万向轮15，万向轮上设有刹车片，通过设置万向轮，可以方便对整个装置进行移动；2个支撑架靠近顶端位置设计有安装板16，安装板的底面固定设有多个LED灯17，通过设置LED灯，可在实训人员装配过程中为实训板提供充足的照明度，减少实训人员的眼部疲劳感；升降杆的外侧壁设计有限位块19，条型槽的内壁设计有与限位块滑动配合的限位槽20，通过设置限位块和限位槽，可以防止升降杆随螺纹杆一起转动；另外，其中1个支撑架的侧面设有储物柜21，储物柜内有多层抽屉22，用于放置实验所需的导线和电气元件及设备等[1]。

2 实训平台开放式电气结构设计

实训平台的实训板采用网孔结构实现开放式设计[3]，将实训板分成3个区域，每个区域采用模块化完成不同实训项目或功能，第一个区域可以完成与不同专业课对应的实训项目；第二个区域可以完成基于可编程控制器（PLC）控制的综合实训项目；第三个区域是电源和检测保护部分。其设计框架如图4所示。

图4 实训板开放式设计框架

2.1 第一区域设计

第一区域帮助学生进行电路设计与制作技能训练。主要包含2个层次的实训内容，一是可以完成常用低压控制电器的识别、测量、选用与故障测试等实训；二是可以完成简易电路及单一的模块电路制作实训，内容涉及传感器控制、电动机保护与控制和机电设备控制等模块[4]，也可以根据课程需要，对模块进行拓展和设计，其特点是采用模块化设计，内容宽、难易结合，有很强的应用性和可操作性，可广泛应用于机电专业、电气专业等不同课程的实训环节。

2.2 第二区域设计

以软件手段实现各种控制功能、以微处理器为核心的可编程控制器（PLC）继承了继电器-接触器控制系统的优点，同时具备更广的通用性，是现代化不可或缺的智能产品。第二区域基本组成部分包括计算机、PLC、工业触摸屏、变频器、接触器、三相异步电动机及实物对象等[5]，其组成结构如图5所示。

图5 基于PLC控制的综合实训项目组成框图

其中，计算机中安装组态软件和PLC编程软件，变频器等作为执行器接收PLC的控制信号，通过改变输出电压及频率，实现对三相交流异步电动机的启停、正反转、变速调节或其他被控对象等的控制。至少能够完成的实训项目见表1。

表1 PLC综合实训项目

通过不同实训项目的设计和完成，可以帮助实训者熟悉PLC的基本概况和工作原理；帮助实训者掌握PLC的基本指令系统和典型电路的编程，掌握PLC的程序设计方法，掌握和熟悉PLC功能指令的使用，以及了解PLC的实际应用程序设计步骤和方法等[6]，其硬件实物如图6所示。

图6 PLC控制综合实训区域硬件搭建图

2.3 第三区域设计

电源部分由交直流电源、电压表、空气开关和熔断器组成。实训装置选用0～380 V交流可调电源、0～200 V直流可调电源、直流稳压电源±15 V和直流稳压电源24 V组成电源系统[7]，以适应不同实训项目的电源电压等级；电压表显示当前电压值；空气开关和熔断器作为保护元件，保护线路安全运行。

针对实训过程中因电缆绝缘破坏、接头不牢固或设备接线错误等原因可能造成的漏电故障，该区域加装漏电保护继电器，可以对漏电流进行检测和判断。

漏电保护继电器使用时与自动开关相配合，用作低压线路的总保护或对主回路进行漏电、接地或绝缘监视保护，由零序互感器、脱扣器和输出信号的辅助接点组成。其工作过程是：当主回路有漏电流产生时，由辅助接点接通分离脱扣器线圈，进而控制空气开关、交流接触器等跳闸来切断主回路，从而实现保护。利用继电器的辅助接点也可以连接声光报警装置，当漏电流产生时，装置发出漏电报警信号，提醒实训人员线路出现漏电故障[8-9]。

3 实训平台项目应用效果

在设计实验时，从区域模块化的角度出发，由浅入深，由易到难，逐步提升学生的综合技能。不同的区域模块对应不同的课程，既满足单一课程的实训，也可以进行综合实训。

学生也可以围绕电气实训的目标与要求，充分利用此实训平台资源，创设实训项目和方案，进行自主创新与设计。实训平台可以满足学生从电气线路设计、接线安装、PLC控制程序开发与编译到调试运行的整个过程，训练了学生创新思维能力和实践操作能力。

搭建部分实训项目对平台实训效果进行验证。通电后，指示灯、电机等实训设备正常启动，表明了电路相关设计和控制是正确的，所搭建的开放式电气实训平台的整体功能能够实现，安全性能良好。

4 结束语

开放式电气实训平台在机械结构上优于传统固定安装的实训平台，满足了不同身高实训人员的操作需求，避免了长时间低头导致颈部酸疼的现象出现，降低实训人员的疲劳感，增加操作时的舒适度；在电气结构部分将实训板划分为3个区域，可以满足电气相关专业不同课程的单一实训和综合实训的需求，电源系统提供了不同电源电压等级来满足不同实训项目电源的要求，检测保护部分可以实现过载、短路、过流及漏电等常见故障检测及保护，保障实训人员安全操作及线路稳定运行。实训板采用网孔结构，实训人员可以根据实训线路进行元器件的合理布局，安装与接线的全部过程，接近工业现场，从而培养实训人员动手能力和实操技能，涉及的内容多、难易结合，有很强的应用性和可操作性，可广泛应用于机电专业、电气专业等多个课程的实训。