融合多課程知識的PLC綜合設計性實驗項目開發(fā)研究

摘要：“電氣控制及可編程控制技術”是電氣工程及其自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)課，實驗教學環(huán)節(jié)的設計一直是該課程的重點和難點。結合電氣工程及其自動化專業(yè)其他專業(yè)課程知識內容，依托、利用這些課程專業(yè)實驗室現有設備，開發(fā)一些融合多課程知識的PLC綜合、設計性實驗項目，給出每個實驗項目的實驗任務、實驗方案、硬件電路設計、軟件設計思想和系統(tǒng)調試要求。通過這些實驗項目可將多課程知識內容有機地融合在一起，培養(yǎng)學生PLC綜合設計與應用能力。

關鍵詞：電氣控制；可編程控制器；綜合設計；實驗；知識融合

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）26-0072-02

“電氣控制及可編程控制技術”是中國石油大學（華東）（以下簡稱“我校”）電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，是一門實踐性和應用性都很強的課程。[1，2]我校電氣工程系專業(yè)實驗室有PLC控制實驗室，該實驗室配有30套S7-200 PLC主機、EM235模擬量輸入/輸出模塊等實驗設備，對于一些基本、簡單的實驗項目可以進行，但對一些綜合設計性實驗項目較難實現，一方面實際被控對象難以構建，[3，4]另一方面虛擬實驗又難以達到應有的教學效果，成為教學的難點。為此，結合直流調速、交流調速等電氣工程及其自動化專業(yè)其他專業(yè)課程的知識內容，依托、利用這些課程專業(yè)實驗室現有設備，開發(fā)一些融合多課程知識的PLC綜合設計性實驗項目，一方面可有機地將多課程知識內容融合在一起，[5]另一方面又能很好地完成“電氣控制及可編程控制技術”課程實驗教學，實現資源共享。

一、基于PLC和變頻器的交流電機變頻調速控制實驗

交流調速實驗室配有富士變頻器、三相異步電動機等實驗設備。借助于這些實驗設備，可開發(fā)基于PLC和變頻器的交流電機變頻調速實驗項目。

1.異步電動機開環(huán)變頻調速控制

（1）實驗任務。實現異步電動機的多檔變頻調速控制；完成電動機的轉速定量測量和波形顯示；實現電機正反轉控制。

（2）實驗方案設計。1）富士FRN2.2G9S變頻器具有多步速輸入端子X1、X2、X3，根據X1、X2、X3通斷狀態(tài)的不同組合可設定出7種不同的速度，多步速輸入端子與S7-200 PLC的輸出端子相連，通過編制PLC控制程序，控制對應輸出端的導通和關斷，從而控制變頻器的多步速輸入端子的通斷，實現異步電動機的多檔變頻調速控制。2）異步機同軸聯接測速發(fā)電機，將電機的轉速信號轉換為0-10V的電壓信號，利用S7-200 PLC的模擬量輸入/輸出模塊EM235對轉速信號進行A/D轉換，實現電機轉速的定量測量，并借助于組態(tài)軟件實現對電機轉速的波形顯示。3）將PLC的某二個輸出端分別與變頻器的正、反轉控制輸入端子FWD、REV相連。通過編程實現電機的正反轉控制。

（3）硬件電路設計及搭建。根據控制任務及S7-200 PLC的I/O點數進行I/O分配，設計硬件電路并進行搭建。硬件電路設計可參考圖1所示電路，I0.2接系統(tǒng)起動按鈕SB1，I0.3接系統(tǒng)循環(huán)控制按鈕SB2。PLC的三個輸出端子Q0.1、Q0.2和Q0.3分別與變頻器的多步速輸入端子X1、X2、X3相連，通過編程改變輸出繼電器Q0.1、Q0.2和Q0.3的狀態(tài)，實現變頻器輸入端子X1、X2、X3的通斷狀態(tài)的不同組合，設定出7種不同的速度，每種速度對應的頻率值預先設定在變頻器中。Q0.4、Q0.5分別與變頻器的正、反轉控制輸入端子FWD、REV相連。將測速發(fā)電機輸出的電壓信號接至EM235的模擬量輸入通道。為使變頻器受控于PLC按照程序運行，在運行前須對變頻器的功能進行相應設定。

（4）軟件設計思想。軟件設計可采用多種編程方法，可利用S7-200 PLC的基本指令來實現，也可利用步進指令來完成。利用步進指令設計時，每一速度控制對應一個步進段，進入對應的步進過程時，可利用置位、復位指令或輸出指令讓對應的輸出繼電器Q0.1、Q0.2、Q0.30接通或關斷，同時起動定時器開始計時，待定時器定時時間到后，轉入下一步進控制過程，以此類推，每檔速度運行時間由各個定時器來控制。利用EM235模擬量單元實現轉速測量。電機正、反轉控制通過軟件編程來實現，Q0.4導通時，電機正轉，Q0.5導通時，電機反轉，注意在進行程序設計時Q0.4和Q0.5要加互鎖環(huán)節(jié)，防止正、反轉同時進行。

（5）系統(tǒng)調試要求。波形記錄異步電動機的多檔變頻調速實驗結果。

2.異步電動機閉環(huán)變頻調速控制

（1）實驗任務。1）實現異步電動機閉環(huán)變頻調速。2）完成電動機的轉速定量測量和波形顯示。3）實現電機的正反轉控制。

（2）實驗方案設計。控制系統(tǒng)構成框圖如圖2所示。旋轉編碼器與電機同軸連接，將異步電機的轉速信號變換為脈沖信號，利用PLC的高速計數器進行測量，此信號作為檢測到的速度反饋信號，速度給定信號與反饋信號相減得到偏差e（n），經過PLC的PID運算，得到控制量，此控制量再經PLC D/A轉換模塊變?yōu)槟M量，經PLC的模擬輸出通道送至變頻器的模擬量輸入端子，進而控制電機的轉速。選用S7-200 PLC模擬量輸入/輸出模塊EM235實現系統(tǒng)相應的D/A轉換。將PLC的某二個輸出端分別與變頻器的正、反轉控制輸入端子FWD、REV相連。通過編程實現電機的正反轉控制。借助于組態(tài)軟件實現對電機轉速的波形顯示。

（3）軟件設計思想。根據控制任務進行I/O分配，選擇高速計數器編號、工作模式、輸入點的配置。基于M測速方法實現對電機轉速的測量。利用S7-200 PLC提供的PID功能指令[6]完成PID控制算法，算出該采樣周期PID調節(jié)器的輸出值P（n），然后將運算結果通過PLC的D/A轉換模塊，經模擬量輸出通道送至變頻器的模擬量輸入端子，控制電機的轉速。電機正、反轉控制通過軟件編程來實現，根據不同的條件給出對應的正、反轉控制信號。根據I/O分配，當某輸出繼電器導通時，電機正轉，另一輸出繼電器導通時，電機反轉，同樣，兩輸出繼電器一定要加互鎖環(huán)節(jié)，防止正、反轉同時進行。在執(zhí)行PID指令前，首先應構建PID控制回路表，將控制回路表中有關參數按照地址偏移量寫入相應的變量寄存器。采用調用子程序的方法，在子程序中，對PID參數進行初始化處理。

（4）系統(tǒng)調試要求。將電機轉速給定值設定在某一值，觀察電機的穩(wěn)定運行情況；轉速階躍響應實驗；改變負載響應實驗。[7]

二、基于PLC的直流電機PWM調速控制實驗

直流調速實驗室配有直流電動機、測速裝置等實驗設備。借助于實驗設備可開發(fā)基于PLC的直流電機調速控制實驗項目。

1.直流電機PWM開環(huán)調速控制

（1）實驗任務。實現直流電機的PWM開環(huán)調速控制；利用旋轉編碼器測量直流電機的轉速信號，實現電動機的轉速定量測量和波形顯示。

（2）實驗方案設計。PWM變換器采用雙極式可逆PWM變換器，[8]其主電路如圖3所示。在雙極性工作制下，PWM變換器的四個大功率晶體管IGBT分成兩組，晶體管VT1、VT4與晶體管VT2、VT3交替導通和截止。在每個PWM周期的期間，Ug1、Ug4為正，正組晶體管VT1、VT4導通，Ug2、Ug3為負，VT2、VT3截止，直流電機兩端電壓；在期間，反組晶體管VT2、VT3導通，電機兩端電壓。

一個 PWM周期內電機承受的電樞電壓平均值為：

（1）

令為占空比，其調節(jié)范圍為0～1?？梢姡p極性驅動時，通過調節(jié)占空比d即可實現PWM調速。當d>0.5時，電機正轉；d<0.5時，電機反轉；d=0.5時，電機停止運行，此時直流電機電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓。

IGBT是電壓驅動型器件，選用集成驅動器M57962L作為IGBT的驅動。[9]

為防止上、下橋臂直通，設計了硬件延時電路。采用緩沖電路來抑制關斷過程中的和尖峰過電壓。

利用PLC的高速脈沖輸出指令，[6]采用同步更新脈沖寬度方法在PLC的輸出端口Q0.0（或Q0.1）輸出PWM控制信號，該信號加到驅動電路上，控制主電路開關管IGBT的導通和關斷，從而控制電機的轉速。

首先產生占空比大于50%的PWM波，使電機正轉運行，運行一段時間后產生占空比小于50%的PWM波，使電機反轉運行，之后再產生占空比等于50%的PWM波，使電機停止運行。

（3）軟件設計思想。確定PWM信號的輸出端；初始化PWM輸出形式的各個參數，如控制字節(jié)、PWM周期值等；修改輸出的脈沖寬度。初始化配置及修改脈寬均可在子程序中執(zhí)行。在主程序中用首次掃描標志位SM0.1將PWM使用的輸出點清零并調用子程序完成初始化操作，在需要時調用修改脈寬子程序。選擇高速計數器編號、工作模式、輸入點的配置?；贛測速方法實現對電機轉速的測量。

（4）系統(tǒng)調試要求。觀察PWM 控制電路輸出波形；波形記錄直流電機的開環(huán)調速實驗結果。

2.直流電機PWM閉環(huán)調速控制

（1）實驗任務。實現直流電動機PWM閉環(huán)調速；完成電動機的轉速定量測量和波形顯示。

（2）實驗方案設計?；赑LC的PWM閉環(huán)調速系統(tǒng)構成框圖[9]如圖4所示。旋轉編碼器與直流電機同軸連接，利用S7-200 PLC的高速計數功能，測量電機的轉速。轉速給定信號與轉速測量信號相減，得偏差信號，通過PLC的PID功能指令得到PID控制器輸出，PID控制器輸出作為PWM信號占空比的控制信號，利用PLC的PWM功能指令，可在PLC的相應輸出端輸出占空比可調的PWM信號。PWM信號作用于驅動電路，控制PWM變換器主電路相應橋臂開關管的導通和關斷，從而控制加在直流電機電樞上的電壓，實現直流電機的PWM調速。

（3）程序設計思想?？刂葡到y(tǒng)程序主要包括轉速測量程序、PID控制算法程序及PWM信號產生程序三部分。轉速測量程序利用PLC的高速計數功能基于M測速方法實現對電機轉速的測量。PID控制算法程序利用PLC的PID功能指令實現速度的PID控制，并將PID控制器的輸出值作為PWM控制信號的占空比。PWM信號產生程序利用PLC的PWM功能指令產生周期一定，占空比可調的PWM信號。在執(zhí)行PID指令前，應構建PID控制回路表，將控制回路表中有關參數按照地址偏移量寫入相應的變量寄存器。采用調用子程序的方法，在子程序中，對PID參數進行初始化處理。

（4）系統(tǒng)調試要求。觀察PWM 控制電路輸出波形；將電機轉速給定值設定在某一值，觀察電機的穩(wěn)定運行情況；轉速階躍響應實驗；改變負載響應實驗。[7]

三、結束語

結合電氣工程及其自動化專業(yè)其他專業(yè)課程，利用、依托這些專業(yè)課程現有實驗設備，開發(fā)一些PLC綜合、設計性實驗項目，為鍛煉學生綜合運用PLC相關知識、提高學生的綜合實踐能力提供了途徑，不僅與其他專業(yè)課融會貫通，提高學生綜合運用專業(yè)知識的能力，還可節(jié)約實驗成本，實現實驗資源的共享。

參考文獻：

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[5]閆怡璇，鄭萍.基于PLC 技術的過程控制實驗裝置二次開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2012，31（9）：32-32.

[6]何波，于軍琪，段中心.電氣控制及PLC應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[7]王春鳳，李旭春，薛文軒.PWM 直流調速系統(tǒng)實驗的教學實踐[J].實驗室研究與探索，2012，31（8）：32-34.

[8]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[9]何新霞，邢瑞軍.基于PLC的直流電機PWM調速系統(tǒng)設計[J].機械與電子，2011，（6）：29-31.

（責任編輯：王祝萍）