1引言
因专业涉猎较广，按传统教学方式培养一名合格技术人才周期很长。而激光设备相对体积比较庞大，造价较高，加工过程设备的控制比较复杂，作为高校专业教学有必要开发专用的实训平台运用到专业教学中，能使枯燥难懂的原理变得简单直观，使老师容易教学、学生容易理解；其次每个学生都拥有跟设备互动的机会，可以在确保电气安全的范围内操作，快速掌握知识点，大大缩短培养时间，降低教学成本，增强学生动手能力。本文主要介绍了一种激光设备控制系统实训教学平台，该平台主要用于模拟激光设备控制系统，立体直观的展现其结构及原理，利用该教学平台可以完成各类激光设备控制系统的安装与调试，培养学生动手能力，达到理论与实践相结合的目的。
2实训平台硬件组成
激光设备一般由光、机、电三部分构成，主要有激光器、主机（光路以及驱动、支撑光路的机械结构）、冷却系统、供气系统、激光电源、控制系统等部分组成，其中控制系统是激光设备的重要组成之一，其硬件框架如图1所示，主要用于协调整个系统、控制激光加工。激光设备控制系统的核心是主控制器，控制对象是运动控制和激光控制，主控制器通过人机交互和通讯接口，与操作者和其他设备进行交互，激光设备控制系统的主控制器有三种，一种是采用PLC作为控制器，第二种是专用的数控系统作为控制器，第三种是采用基于ARM和DSP的嵌入式系统作为控制器。本实训平台采用PLC作为控制平台，使用三菱FX2N系列的PLC为运动控制核心驱动交流伺服电机、步进电机、继电器等，台达PLC和台达触摸屏完成人机界面交互控制等。实训平台硬件原理图如图2所示，实物图如图3所示。
3基本功能
实训平台采用积木式结构，按钮及继电器模块、PLC模块、人机界面交互模块、运动控制模块等在放置架上拆装灵活。为了满足实训要求，采用安全导线将模块与实验台之间连接起来，安全性高，该平台设计了多重保护环节：电源外部控制与指示、短路保护、接地保护、操作保护等保护环节确保师生安全。实训平台的设计能够模拟现场实际情况的控制过程，真正做到工学结合，使学生身临其境地学习和实践。实训平台具有：（1）激光设备电气控制系统读图识图及接线功能，各单一模块可以单独教学也可以组合教学；（2）液晶屏显示控制模块，具有人机界面控制基本功能、基本应用编程功能；（3）PLC运动控制模块，具有PLC在激光加工流水线中的应用功能；（4）伺服电机控制模块，具有交流伺服系统的认知、参数设置、接线、性能的学习功能；（5）步进电机控制模块，具有步进电机系统的认知、参数设置、接线、性能的学习功能；（6）X-Y二维运动平台模块，具有PLC控制、手动控制、限位控制等功能。
4实训平台的实现
单个实训台主要包括电源部分、PLC部分、输入输出部分、I/O转换口、人机界面、上位机、三相电机、步进电机及驱动器、伺服电机及驱动器、二维工作平台等。上位机中安装有相应的工控软件，以便实现编程、通信以及监控等，电源部分实行单个自动化单元独立开关和保护方式。实训平台控制部分主要分为两种，一是基本电气控制系统，二是PLC控制系统。基本电气控制系统主要是利用按钮类主令器件、继电器等来实现对三相交流电机和步进电机的运动控制，模拟激光设备顺序启动控制电路，从而完成激光标刻机电气控制电路的设计与调试。PLC控制系统主要是利用PLC、步进电机驱动系统、伺服电机驱动系统等来实现PLC对步进电机、伺服电机运动控制，模拟激光设备X-Y二维运动工作台往返运动控制、手动控制、限位控制等，实现激光焊接机电气控制电路的设计与调试。
4.1人机交互模块
人机界面(HumanMachineInterface，HMI)是技术人员与工业控制系统交互的设备，过程可视化、操作员对过程的控制、显示报警、输出过程值和报警记录均是由HMI完成，HMI可以为DVPPLC提供过程控制和监视，可同时支持多个通讯口连接多台不同或是相同的控制器，最多可同时连接支持3种不同通讯协议的设备。HMI主要有显示器、操作员面板、触摸屏功能，本平台中的HMI主要是触摸屏，触摸屏是人机界面的发展方向，选用型号为DOP-B05S111，支持位图、图标和背景画面。支持U盘，不需电脑即可通过U盘来更新软件、下载画面程序以及备份数据等。支持USBHost功能，可连接U盘、鼠标及支持USB界面的打印机等周边设备，大大加强了人机的功能。
4.2上位机配置及软件配置
基于适应工控软件对于计算机硬件的要求，上位机选用较新型的联想商用PC机，操作系统选用Win7。PLC可通过USB口与上位机通讯，PLC可通过HMI的COM2口与人机连接电缆通讯，HMI可通过通讯电缆和上位机通讯。上位机安装软件有FX-PCS-VPS/WIN-E、WPLSoft2.41、DOPSoftV2.00.07可对三菱FX2N-20GM、台达DVP-24ES及DOP-B05S111进行人机界面编程、设计、PLC联机调试。HMI与PLC梯形图程序建立对应的逻辑关系，学生可以根据项目需要编写相应的界面，通过触摸屏来控制激光设备运作，完成相应的设计。HMI软件DOPSoftV2.00.07提供了方便的模拟功能，用户可于人机程序的设计过程中，先行于电脑端进行程序模拟动作与除错。而在人机软件里提供两种模拟功能，分別为离线模拟与在线模拟。当使用者编辑与编译完人机程序后，可直接使用电脑（不连接PLC）离线进行模拟人机画面动作是否正确，也可使用在线模拟功能，即人机程序编辑与编译完成后，使用电脑连接PLC，先行模拟人机动作是否正确。
4.3运动控制系统
运动控制由步进电机及驱动器，交流伺服系统构成。步进电机运动控制由PLC控制器的RP、FP引脚输出控制脉冲信号，步进电机驱动器接受PLC指令，进行处理形成步进电机需要的脉冲信号，步进电动机将电脉冲信号变换成相应的角位移，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个步距角，实现步进电机正反转控制。交流伺服系统由伺服驱动单元、伺服电机及激光设备X-Y二维工作台构成。由PLC控制器的RP、FP引脚输出控制脉冲信号，伺服驱动器接受PLC指令，进行处理形成伺服电机需要的电流输出，驱动伺服电机正反转，或带动激光设备X-Y二维工作台形成平面上的二维运动，X-Y二维工作台PLC运动控制系统结构图如图4所示。
5结论
从本实训平台试制样品的使用来看，电气控制和运动控制线路可以由教师和学生进行自主设计，可对控制效果进行直接观察。实践证明，此实训平台运行正常，呈现出了较强的安全性，实验结果生动形象有助于加深学生对知识的理解和记忆，通过阶梯式的工程训练教学模式,学生解决工程实际问题以及动手实践能力不断得到强化和提高，为其将来从事相关激光行业工作奠定了基础。
参考文献
[1]姜萍宗晓萍等:过程控制综合实训平台的设计,实验室研究与探索[J],2013.
[2]孙冬丽:基于PLC的激光设备控制系统教学平台设计,软件[J],2013.
[3]台达DOP系列人机界面使用手册,2015.
[4]董九志杨建成等:搭建实训平台构建应用型人才培养体系,产业与科学论坛[J],2011.
作者:周琦 单位:武汉职业学院电子信息工程学院
