電氣控制與PLC技術(shù)教改實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

【摘""要】為響應(yīng)我院培養(yǎng)應(yīng)用型人才的辦學(xué)特色，提高電氣控制與PLC技術(shù)課程的教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，文章將電力拖動(dòng)與PLC技術(shù)有效地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了基于PLC的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，給出了實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件配置，并設(shè)計(jì)了整個(gè)控制系統(tǒng)的相關(guān)程序。

【關(guān)鍵詞】教改""PLC""異步電機(jī)""轉(zhuǎn)速閉環(huán)

【中圖分類號(hào)】G642.0"""""""【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A"""""""""【文章編號(hào)】1674-4810（2015）16-0041-02

電氣控制與PLC技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的一門主干課。該課程由繼電、接觸器控制系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)和PLC應(yīng)用兩大部分組成。其最大特點(diǎn)是涉及的知識(shí)面較寬、技術(shù)進(jìn)步快，既強(qiáng)調(diào)理論又偏重實(shí)踐，與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密，是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課。為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)該門課程，本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，主要包括：PLC、觸摸屏、變頻器及電機(jī)機(jī)組等。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，可以使學(xué)生形象地理解PLC控制系統(tǒng)的組成及作用、了解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工藝，有助于提高PLC課程的教學(xué)效果，豐富學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

一"系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、S7-200"PLC、觸摸屏Smart700、變頻器MM420、電機(jī)機(jī)組（同軸相連的直流電機(jī)和異步電機(jī)）、可調(diào)功率電阻等組成，為一套異步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及人機(jī)交互、帶反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

基于PLC的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制思想

為：將碼盤采集到的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)A/D模塊反饋給PLC，通過(guò)與Smart700的給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，將轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)輸出給PID環(huán)節(jié)做閉環(huán)處理，將PID環(huán)節(jié)運(yùn)算后的結(jié)果通過(guò)D/A模塊輸出給變頻器，作為變頻器的轉(zhuǎn)速給定，從而控制電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，使其等于給定轉(zhuǎn)速，達(dá)到異步電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)速的效果。

二"硬件設(shè)計(jì)

1.PLC配置

西門子S7-200系列PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、指令集豐富、編程方便、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有極高的性價(jià)比。故實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選用西門子CPU224XP"CN系列PLC，本身自帶兩路AD"輸入、一路DA輸出。為滿足實(shí)訓(xùn)平臺(tái)后續(xù)功能的拓展，還配置一塊EM235模擬量輸入輸出模塊，可滿足實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的要求。

2.觸摸屏配置

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)視和控制，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選用西門子Smart700系列觸摸屏，其為西門子觸摸屏中的中低端產(chǎn)品，但性價(jià)比較高。適用于實(shí)驗(yàn)室單機(jī)場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)與S7-200的簡(jiǎn)單無(wú)縫連接。其組態(tài)基于軟件Wincc"Flexible"2008"sp2。該軟件具備功能完善、操作簡(jiǎn)單、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。

3.變頻器配置

為實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象（異步電機(jī)）的變頻調(diào)速，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選用西門子MM420系列變頻器。其為西門子變頻

*"中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院教改項(xiàng)目

器中的小型產(chǎn)品，具有體積小、安裝方便、功能完善、控制精確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比較高，適用于小功率變頻調(diào)速場(chǎng)合。

4.電機(jī)機(jī)組配置

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選用鼠籠式異步電機(jī)作為被控對(duì)象，同軸相連一個(gè)他勵(lì)直流電機(jī)，在直流電機(jī)電樞兩端接一個(gè)0～1kΩ的可調(diào)功率電阻，作為整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，機(jī)組上還配置了一個(gè)碼盤，采集并向PLC反饋電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。圖2為電機(jī)機(jī)組實(shí)物圖。

三"軟件設(shè)計(jì)

1.PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序流程如圖3所示。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用PID算法對(duì)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PID控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

其中：R（s）、Y（s）、E（s）分別為控制器輸入（給定轉(zhuǎn)速）、輸出（實(shí)際轉(zhuǎn)速）、輸入與輸出（給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速）的差值，Kp、Ti、Td分別為控制器比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。

S7-200共支持8條PID回路?？赏ㄟ^(guò)自行配置PID回路表來(lái)直接調(diào)用PID功能指令，亦可通過(guò)S7-200自帶的PID向?qū)нM(jìn)行調(diào)用。

2.觸摸屏程序設(shè)計(jì)

本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用Smart"700觸摸屏對(duì)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。利用Wincc"Flexible"2008"sp2組態(tài)軟件對(duì)用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖5所示。

四"結(jié)束語(yǔ)

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)很好地將電力拖動(dòng)與PLC技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可模擬工業(yè)過(guò)程控制工藝，使學(xué)生在完成課內(nèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)PLC知識(shí)的學(xué)習(xí)。同時(shí)，觸摸屏直觀顯示采集到的異步電機(jī)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線等，有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高教學(xué)效果。

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〔責(zé)任編輯：林勁〕