“南粵杯”PLC 電機控制競賽項目分析

劉曉玲，賈 磊

（1.黃河水利職業(yè)技術學院 河南 開封 475004）

0 引言

為了在各水利高職院校之間搭建相互交流的平臺，展示近年來水利高職院校改革發(fā)展的豐碩成果，中國水利教育協(xié)會從2007 年開始舉辦全國水利高職院校技能競賽。競賽由中國水利教育協(xié)會主辦、教育部水工專業(yè)教學指導委員會協(xié)辦，旨在積極探索水利高技能人才培養(yǎng)的途徑和方法，更好地為加強水利人才隊伍建設服務。 PLC（可編程邏輯控制器）電機控制項目主要考核應用PLC 技術進行水利水電工程機電設備的自動控制、三相異步電機的控制，低壓電器基本知識，PLC 的原理、結構類型的選擇，I/O 點數分配、程序設計及外部接線方法等。

1 PLC 電機控制技術項目及控制要求和步驟

1.1 PLC 電機控制技術項目

用PLC 對抽水蓄能電站控制系統(tǒng)進行設計。 這個小型水電站的工作方式是：夜晚（用電低谷期）利用便宜的電能用水泵將水塘里的水抽到水庫里，白天（用電高峰期）將水庫閘門打開，水流流向水塘，帶動葉輪機轉動，水力發(fā)電機將水利的機械能轉化為電能，進行發(fā)電，以調節(jié)谷峰用電的需求。 抽水蓄能電站如圖1 所示。

1.2 PLC 電機控制技術項目的控制要求

抽水蓄能電站PLC 控制要求是用PLC 控制抽水蓄能電站的一個自動工作過程。 它包括以下幾個步驟：

1)合上電源開關后，電源指示燈亮。

2）手動按下啟動按鈕SB，開始從水塘抽水至水庫，且有運行工作狀態(tài)指示，要求水泵電機M2 采用星三角降壓方式啟動。

圖1 抽水蓄能電站模型示意圖Fig. 1 Pumped-storage hydroelectricity model

3）當水庫水位達到上限位時，水泵電機M1停止抽水。

4）在水位達到上限位的同時，閘門提升電機M2以低速n1正轉，提升水庫閘門，至閘門中限位時，轉換為高速n2， 提升直到提升至閘門上限位時，M1停止。

5） 當水庫水位降到下限位時，M1以速度n2反轉，關閉水庫閘門，至閘門下限位停止。

須在240 分鐘內，準確完成功能，并達到工藝要求。

2 控制系統(tǒng)的硬件設計

電站PLC 控制系統(tǒng)的設計主要包括3 部分內容：水泵電機主電路設計，閘門升降電機控制回路設計和變頻器參數選擇。 本設計采用三菱FX2N-32MR 型號的PLC。 它是一種單元結構的小型PLC,編程方便，功能強大，體積小、重量輕，抗干擾能力強。 采用三菱FR-D740 變頻器。

2.1 水泵電機控制主回路

主電路設計如圖2 所示，其中M1 為水泵電機，選用三相鼠籠式異步電機，實現(xiàn)星三角降壓啟動。KM1、KM2接觸器主觸點閉合, 電機定子繞組接成星型接法進行降壓啟動。 待電機轉速接近正常轉速時，KM2主觸點斷開，KM1、KM3主觸點閉合，電機定子繞組接成三角形，電機在全壓下正常運行。

圖2 水泵電機主電路圖Fig.2 Water pump main circuit

2.2 閘門升降電機控制回路

閘門升降機自動控制系統(tǒng)主要由三菱PLC、三菱變頻器、三相鼠籠式異步電機組成。 系統(tǒng)的硬件接線如圖3 所示。 接線時要注意：變頻器的R、S、T端接三相交流電源，U、V、W 端接電機，不能接錯，否則將會損壞變頻器[2]。

圖3 閘門升降電機及I/O 端子接線圖Fig.3 Gate lift motors and I/O terminal wiring scheme

在圖3 中，一方面，PLC 控制代替繼電器控制系統(tǒng)；另一方面，對于系統(tǒng)所要求的提升和下降，以及由限位開關獲取閘門運行的位置信息，進行內部程序的處理，并在Y0～Y3端輸出信號，控制變頻器輸入端子STF、STR、RH、RM 的狀態(tài)，使變頻器及時按要求輸出相應的頻率，從而控制閘門電機的運行速度[3]。 速度檔由RH、RM 選擇，每檔速度的大小通過變頻器進行設定， 再通過PLC 的程序控制頻率切換。PLC 的I/O 分配功能如表1 所示。

表1 控制系統(tǒng)的I/O 端子分配表Table 1 I/O terminal distribution of control system

2.3 變頻器主要功能指令設定

（1）設定Pr.79=3 時，組合操作模式有效。

（2）Pr 相關數值：上限頻率Pr.1=50Hz；下限頻率Pr.2=0Hz；基本頻率Pr.3=50Hz；加速時間Pr.7=1s；減速時間Pr.8=1s；一速Pr.4=10Hz；二速Pr.5=30Hz。

3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計

按照控制要求編寫程序，要求梯形圖中的邏輯元件與I/O 接線圖一致（如圖4 所示），否則執(zhí)行程序時就會出錯。

圖4 控制系統(tǒng)程序設計Fig.4 Control system program design

根據所選用的PLC 型號進行編程，仿真運行無誤后，把程序上傳到PLC，按照圖3 進行硬件接線。接線后進行調試。 在調試過程中，尤其要避免發(fā)生短路事故，通電前用萬用表檢查是否存在短路、斷路、端子位置接錯等常見故障，檢測正確無誤后，通入三相交流電源進行調試和運行，即按照控制要求按下啟動按鈕、位置開關、停止按鈕等主令電器，看電機是否按要求工作。 所以，要實現(xiàn)控制要求，不僅要能進行正確的編程，而且要求系統(tǒng)硬件接線也準確無誤，這樣才能完成控制任務。

4 技能競賽的作用

通過PLC 電機控制項目可以看出，競賽對學生的理論知識和技能操作水平要求越來越高，競賽的題目也越來越接近生產現(xiàn)場的實際情況。

4.1 提升學生的技能水平

為了提高參賽水平，指導教師要根據每次大賽的情況，將比賽的內容更好地融入平時的課程教學中，并將比賽要求加入課程標準中，討論修改教學大綱，使學生的理論知識和實踐水平更接近生產實際。 因此，技能競賽也成為提高學生技能水平的有效手段，通過競賽，提高了學生的實際動手能力，提升了職業(yè)教育的人才培養(yǎng)質量，使職業(yè)教育的培養(yǎng)方向更符合生產和服務第一線的實際。

4.2 促進了教學交流和改革

技能競賽促進了院校之間的相互交流學習，為教學改革提供了思路。 不同院校學生通過相互了解、相互學習，看到了自己的不足，明確了今后的學習目標。 各參賽院校以大賽促技能，以大賽促教學。通過大賽，不僅學生受益匪淺，而且也使教師從中發(fā)現(xiàn)自己在以往教學中的不足。

4.3 促進了校企合作

技能大賽邀請較多的相關企業(yè)參與，評方來逢企業(yè)一線的專家、管理者和能工巧匠參與了從競賽大綱的制定、競賽題目的設計，到最后的評分的全過程。 從而有力地促進了學校與企業(yè)在 “訂單”培養(yǎng)、設備共享、教學指導等方面進一步合作，使競賽項目和內容更緊貼產業(yè)發(fā)展和生產實踐。 學校以技能大賽為紐帶，為行業(yè)企業(yè)深入參與職業(yè)教育的發(fā)展搭建了一個很好的平臺，促進產教結合、校企一體深入發(fā)展。 在此基礎上，技能大賽將密切跟蹤行業(yè)企業(yè)生產實際，使職業(yè)院校和技能大賽的實習實訓設備越來越能夠與生產實際對接，在更高程度上做到“真刀真槍”，有力地解決教育與生產實際相脫離的問題。

5 結語

綜上所述，“南粵杯”PLC 電機控制競賽項目對于學生職業(yè)關鍵能力的提高、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用，同時在推動教育教學改革、探索高技能人才的培養(yǎng)方面也起到了不可替代的作用，更有利于機電一體化技術專業(yè)人才培養(yǎng)目標的順利實現(xiàn)。 參賽職業(yè)院校應當充分利用好這個平臺，促進人才培養(yǎng)質量的提高。

[1] 吳麗. 電氣控制與PLC 應用技術[M]. 機械工業(yè)出版社，2010:46-47.

[2] 郭艷萍.變頻器應用技術[M]. 北京師范大學出版社，2009:95-97.

[3] 龔運新. 三菱PLC 實用技術教程[M]. 北京師范大學出版社，2007:145-147.