變頻器通訊控制的教學(xué)項目設(shè)計與實踐

謝芳芳

湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長沙 410208

變頻器通訊控制的教學(xué)項目設(shè)計與實踐

謝芳芳

湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長沙 410208

為了讓學(xué)生掌握變頻器通訊控制的基本知識和技能，適應(yīng)變頻控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，設(shè)計開發(fā)了兩個基本教學(xué)項目：可編程控制器通過串口控制變頻器、單片機(jī)通過串口控制變頻器。在項目教學(xué)實踐中采用比較教學(xué)法，從硬件電路、參數(shù)設(shè)置、軟件編程、安裝調(diào)試等方面對兩個基本項目進(jìn)行比較。將基本項目進(jìn)行拓展，可形成多個拓展項目。教學(xué)實踐表明，采用項目比較教學(xué)能取得良好的教學(xué)效果，可提高學(xué)生的專業(yè)綜合應(yīng)用能力，是變頻器應(yīng)用技術(shù)課程的有效教學(xué)策略。

項目比較教學(xué)；變頻器；串口控制

目前高職電氣自動化技術(shù)、電機(jī)與電器（電力電器技術(shù)方向）、機(jī)電一體化技術(shù)等專業(yè)均將變頻器應(yīng)用技術(shù)列為核心課程，培養(yǎng)能力主要側(cè)重于變頻器的參數(shù)設(shè)置、外部控制電路的連接與調(diào)試。［1］變頻器的外部控制端子有模擬端、數(shù)字端、通訊端三種。前兩種是重點和經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容，第三種即變頻器通訊控制，由于涉及的知識面與技能點較多，一直是教學(xué)難點，在以往教學(xué)中常常省略不講或簡單介紹一下，讓學(xué)生知道有這么回事即可。

在工程與科研實踐中，筆者深刻體會到，變頻器通訊控制是調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，因此為了讓學(xué)生適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，課程教學(xué)中不應(yīng)該回避這一教學(xué)難點。在教學(xué)實踐中，筆者綜合變頻器、可編程控制器（以下簡稱PLC）、單片機(jī)三門專業(yè)課程，設(shè)計開發(fā)了兩個基本教學(xué)項目，即PLC通過串口控制變頻器、單片機(jī)通過串口控制變頻器。在項目教學(xué)過程中采用比較教學(xué)法，取得良好的教學(xué)效果，使學(xué)生較好地掌握了變頻器通訊控制的基本知識和技能。

1 教學(xué)項目的設(shè)計

設(shè)計教學(xué)項目時，主要考慮三點原則：一是要有工程背景。項目教學(xué)內(nèi)容來自工程實際中的成熟產(chǎn)品和常見任務(wù)。市場占有率不大或技術(shù)瀕臨淘汰的產(chǎn)品、上市不久的前沿概念產(chǎn)品一般不納入教學(xué)內(nèi)容。二是要適合課堂教學(xué)。有的實際產(chǎn)品或任務(wù)可以直接在課堂上制作、訓(xùn)練，但也有很多并不適合在課堂直接教學(xué)，因此需要對實際產(chǎn)品或任務(wù)進(jìn)行處理，“抓住主要矛盾，忽略次要矛盾”，設(shè)計開發(fā)出適合課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)情的典型項目、典型任務(wù)。三是要有可比性。這是筆者在設(shè)計教學(xué)項目時追求的一個特色，項目與項目之間力求“同中見異，異中見同”，具有可比性，這樣在教學(xué)過程中可采用比較教學(xué)法，使學(xué)生更好地認(rèn)識和把握事物的本質(zhì)。［2］基于上述原則，筆者設(shè)計了兩個具有可比性的教學(xué)項目：PLC通過串口控制變頻器、單片機(jī)通過串口控制變頻器。

項目一的教學(xué)裝置如圖1所示，變頻器選用西門子MM420通用型，PLC選用西門子S7-200/CPU226，變頻器的14，15號端子通過雙絞線與PLC通訊口（RS485口）的第3針、第8針相連。［3］為了減輕變頻器的干擾，將PLC的接地端用一根短而粗的電纜連接到變頻器的接地端。為防止信號反射，工業(yè)環(huán)境下需要裝設(shè)終端電阻、偏置電阻，課堂教學(xué)環(huán)境下為簡單起見，可以不用這些電阻，并不影響通訊效果。為便于課堂教學(xué)，控制任務(wù)剛開始宜簡不宜繁，因此采用兩個按鈕遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動和停止。SB1，SB2是自復(fù)型按鈕開關(guān)，按下SB1，變頻器收到啟動命令，輸出頻率由0 Hz斜坡上升至50 Hz，電機(jī)運(yùn)行；按下SB2，變頻器收到停止命令，輸出頻率由50 Hz斜坡下降至0 Hz，電機(jī)停止。

圖1 PLC通過串口控制變頻器的硬件電路

項目二的教學(xué)裝置如圖2所示，變頻器側(cè)的主電路與圖1相同，控制電路中用單片機(jī)替代PLC，選用AT89C51。由于變頻器14，15號端子是RS485電平，而單片機(jī)10，11號引腳是TTL電平，因此兩者之間需要電平轉(zhuǎn)換，這里選用MAX485芯片。MAX485的1，8號腳是信號傳輸端，需要連接兩個120Ω的電阻?？刂迫蝿?wù)與項目一相同，K1是啟動鍵，K2是停止鍵，都是自復(fù)型按鍵。

圖2 單片機(jī)通過串口控制變頻器的硬件電路

2 教學(xué)項目的實踐

在眾多的教學(xué)法中，筆者對比較教學(xué)法情有獨鐘。俄國教育家烏申斯基認(rèn)為“比較是一切理解和思維的基礎(chǔ)，我們正是通過比較來了解世界上的一切”。在項目教學(xué)實踐中，采用比較教學(xué)法，將后續(xù)項目與前導(dǎo)項目進(jìn)行比較，找出異同，可以使學(xué)生原有的知識與技能更加深刻、牢固，新獲得的知識與技能更加鮮明、準(zhǔn)確。下面將兩個項目從硬件電路、參數(shù)設(shè)置、軟件編程、安裝調(diào)試等方面進(jìn)行比較。

2.1 硬件電路

變頻器課程一般開設(shè)在PLC課程、單片機(jī)課程之后，有了前導(dǎo)課程的鋪墊，面對教學(xué)裝置，學(xué)生能夠說出兩個項目在硬件電路方面的異同。系統(tǒng)的主電路相同，控制電路有所不同，但控制任務(wù)相同。教學(xué)過程中教師可適時要求學(xué)生將PLC硬件方案改造成單片機(jī)硬件方案，并畫出硬件接線圖。

所有的西門子變頻器都采用RS485硬件，可將RS485接口與RS232接口進(jìn)行比較。通過比較，學(xué)生認(rèn)識到，RS232既是電氣標(biāo)準(zhǔn)又是物理標(biāo)準(zhǔn)，因此接口的引腳定義是全球統(tǒng)一的；而RS485僅是電氣標(biāo)準(zhǔn)不是物理標(biāo)準(zhǔn)，因此接口的引腳定義不是統(tǒng)一的，各個廠家不盡相同。

2.2 參數(shù)設(shè)置

兩個項目的變頻器、電機(jī)、控制任務(wù)、通信協(xié)議都相同，因此MM420變頻器的參數(shù)設(shè)置亦相同，見表1。表1中P2009～P2014是通訊參數(shù)，要求學(xué)生“知其然，知其所以然”。因此雖然P2009～P2014的設(shè)置值與缺省值基本相同，也要求學(xué)生動手設(shè)置一遍，調(diào)出參數(shù)號，更改設(shè)定值，回到缺省值，通過這樣的操作達(dá)到“知其然”的目的。為了“知其所以然”，需要結(jié)合軟件編程來理解。

表1 MM420變頻器的參數(shù)設(shè)置

2.3 軟件編程

西門子變頻器所采用的通用串行接口協(xié)議（簡稱USS協(xié)議）被學(xué)生稱為“難點中的難點”，主要難在報文結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)含義。通過比較兩個項目的軟件編程，可以有效理解這一“難中之難”。

項目一在上位機(jī)中采用STEP7-Micro/Win（含USS指令庫）編程軟件，項目二采用Keil μVision編程軟件，兩個軟件在前導(dǎo)課程中均已使用過。項目一用到USS_INIT和USS_CTRL兩條USS協(xié)議指令，采用梯形圖，具有面向?qū)ο蟮木幊烫攸c，程序中的波特率、變頻器地址應(yīng)與參數(shù)號P2010、P2011一致，PLC梯形圖程序詳見附錄1。項目二則具有面向過程的編程特點，需要結(jié)合參數(shù)號P2012、P2013深入理解啟動、停止變頻器的報文數(shù)據(jù)，對于初學(xué)者有一定難度。單片機(jī)的程序框圖如圖4所示，為了將教學(xué)難點分散，程序框圖剛開始應(yīng)盡量簡單，因此沒有檢測變頻器的應(yīng)答報文，這些內(nèi)容可以安排在拓展項目中進(jìn)行。

單片機(jī)C語言源程序詳見附錄2。

圖3 單片機(jī)通過串口控制變頻器的程序框圖

2.4 安裝調(diào)試

系統(tǒng)在安裝調(diào)試過程中的一般注意事項應(yīng)嚴(yán)格按照廠家提供的技術(shù)文檔，譬如變頻器主線路的屏蔽層須兩端都接地，控制線路的屏蔽層只能一端接地。［3］

變頻器側(cè)主電路屬“強(qiáng)電”，若程序存在問題，容易造成設(shè)備損毀和人員傷害。因此在下載、運(yùn)行程序前，要求必須認(rèn)真全面檢查程序，確定準(zhǔn)確無誤時才能運(yùn)行程序，最好先進(jìn)行通訊仿真。項目一的STEP7-Micro/Win軟件不能仿真，可采用支持USS協(xié)議的S7-200仿真軟件，這類軟件目前市場有供。項目二的Keil μVision軟件可以仿真調(diào)試。在軟硬件聯(lián)調(diào)時，兩個項目都可用示波器觀測變頻器通訊端子的波形，以更好地通過比較來理解報文數(shù)據(jù)和檢測故障。［4］

3 教學(xué)項目的拓展

上述兩個教學(xué)項目的硬件電路與控制任務(wù)都較為簡單，涉及變頻器通訊控制的基本知識與技能，不妨稱為基本項目?？蓪⒒卷椖窟M(jìn)行拓展，形成多個拓展項目。［5］譬如，將單臺變頻器增加至兩臺，其他條件不變；將西門子變頻器改成三菱變頻器，相應(yīng)地西門子PLC也改成三菱PLC，其他條件不變；控制任務(wù)不僅有電機(jī)的啟保停，還有電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速等。

拓展項目也可以實施比較教學(xué)，與基本項目進(jìn)行比較。實踐表明，在基本項目的基礎(chǔ)上，適時適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行一些拓展項目的教學(xué)，很有好處。第一，學(xué)生在基本項目中涉及基本知識與技能，在拓展項目中又會訓(xùn)練一遍。眾所周知，職業(yè)技能的掌握需要“重復(fù)訓(xùn)練，刻意練習(xí)”；第二，拓展項目更接近工程實際，可以讓學(xué)生零距離接觸真實職業(yè)任務(wù)，提高專業(yè)綜合應(yīng)用能力；第三，拓展項目中的任務(wù)解決方案，沒有唯一答案，“仁者見仁，智者見智”，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維與創(chuàng)新精神，這一點對于基礎(chǔ)較好、學(xué)有余力的學(xué)生而言，好處尤為明顯。

經(jīng)過筆者對“變頻器應(yīng)用技術(shù)”課程幾輪的教學(xué)，將項目比較教學(xué)引入到理實一體化課堂教學(xué)中，取得良好的教學(xué)效果，學(xué)生能夠較好地理解并掌握變頻器通訊控制的基本知識和技能，并可進(jìn)一步提高專業(yè)綜合應(yīng)用能力。教學(xué)實踐表明，精細(xì)化設(shè)計項目教學(xué)內(nèi)容、實施項目比較教學(xué)是高職專業(yè)課程的有效教學(xué)策略。

［1］ 教育部職業(yè)教育與成人教育司.高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（試行）:制造大類［M］.北京:中央廣播電視大學(xué)出版社，2012.

［2］ 謝芳芳，胡邦南.比較式項目教學(xué)在單片機(jī)課程中的應(yīng)用［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014，36（5）:114-116.

［3］ 西門子（中國）有限公司.MICROMASTER 420通用型變頻器用戶手冊［EB/OL］.http://www.ad.siemens.com.cn/ products/sd， 2001.

［4］ 謝芳芳，劉兵，任丕順.變頻器直流側(cè)電解電容ESR的在線測量與預(yù)測［J］.測控技術(shù)，2014，33（10）:30-33.

［5］ 成立平.高職專業(yè)人才精細(xì)化培養(yǎng)研究［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

附錄1 PLC通過串口控制變頻器的梯形圖程序

附錄2 單片機(jī)通過串口控制變頻器的C程序

Teaching Project Design and Practice of Inverter Communication Control

Xie Fangfang
Hunan Industry Polytechnic， Changsha， 410208， China

In order to make the students master basic knowledge and skills of inverter communication control and adapt to the development trend of variable frequency control technology， two basic teaching projects are designed and exploited， namely programmable logic controller control inverter via a serial port and microcontroller control inverter via a serial porte. Comparative teaching method is adopted in the process of project teaching. Two basic projects are compared in hardware circuit， parameter setting， software programming， installation and debugging， etc. Multiple expansion projects are formed from basic projects. The teaching practice shows project comparative teaching is effective teaching strategy of "inverter application technology" course， for it can achieve good teaching effect and improve the students' comprehensive application ability.

project comparative teaching； inverter； serial port control

2015-05-21

謝芳芳，碩士，副教授。

湖南省教育廳科研項目（編號：13C218，11C0482）；湖南省科技廳科研項目（編號：2011FJ4152）。