基于“PLC+變頻器”的電機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)和實(shí)施

裴玖玲+王憲磊

摘 要：如今的控制領(lǐng)域，PLC、變頻器、觸摸屏技術(shù)的綜合應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在“PLC+變頻器”實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成的前提下，以實(shí)際應(yīng)用為背景，重點(diǎn)介紹結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)新的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，將當(dāng)今在自動(dòng)控制領(lǐng)域三大主流技術(shù)（PLC、變頻器、觸摸屏技術(shù)）引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以提高該校學(xué)生的控制工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 觸摸屏 電機(jī)控制 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（c）-0031-02

在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，任何一個(gè)工廠企業(yè)的生產(chǎn)線，例如：阿拉爾周邊的棉花加工廠、滴管帶廠、紡織廠等，還是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的節(jié)能灌溉技術(shù)、居民樓的無壓供水、乘坐的電梯，使用的空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家電設(shè)備，都離不開變頻器、PLC對(duì)電機(jī)的調(diào)速。當(dāng)今PLC、變頻器、觸摸屏三大控制技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的綜合運(yùn)用相當(dāng)廣泛，社會(huì)越來越需要高素質(zhì)的控制工程技術(shù)人才。

該校作為南疆唯一一所綜合性大學(xué)，擔(dān)負(fù)著南疆控制工程人才輸出的重任，雖然學(xué)校目前開設(shè)的有電氣控制與PLC技術(shù)課程、電力電子技術(shù)課程，但是這兩門課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏重于原理性、驗(yàn)證性、基礎(chǔ)性，沒有專門的變頻器和觸摸屏應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，更別提3種控制技術(shù)聯(lián)合起來的綜合運(yùn)用了，這種脫離社會(huì)對(duì)高素質(zhì)控制工程人才需求的現(xiàn)象，迫切需要彌補(bǔ)。

1 PLC+變頻器試驗(yàn)臺(tái)建立

利用原來的PLC實(shí)驗(yàn)室資源，引入變頻器和觸摸屏，經(jīng)過全系教師費(fèi)盡心力的技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了PLC+變頻器綜合試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)采用西門子TP170B觸摸屏、西門子MM440變頻器及西門子S7-200 PLC，外加一些低壓電器、各種傳感器，靈活地實(shí)現(xiàn)了綜合性實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要學(xué)生根據(jù)所設(shè)計(jì)的圖紙，現(xiàn)場(chǎng)接線，可通過外部按鈕、觸摸屏兩種方式控制交流電機(jī)的運(yùn)行（如圖1）。

該試驗(yàn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)的功能：（1）通過觸摸屏TP170B控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，顯示其工作狀態(tài)，并可在線設(shè)置電機(jī)的運(yùn)行速度，變頻調(diào)速時(shí)速度上限設(shè)為50 Hz，超過此設(shè)定范圍，觸摸屏將報(bào)警提示，且觸摸屏能實(shí)時(shí)顯示交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度曲線；（2）可通過試驗(yàn)臺(tái)面板上的起停按鈕手動(dòng)控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行；（3）可開發(fā)與電機(jī)、風(fēng)機(jī)有關(guān)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)

根據(jù)周邊工廠企業(yè)調(diào)研，挑選實(shí)用背景范圍廣的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過篩選，共開發(fā)了5個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)編制成實(shí)驗(yàn)書，它們是：（1）多泵切換恒壓供水實(shí)驗(yàn)；（2）儲(chǔ)水器水位控制實(shí)驗(yàn)；（3）中央空調(diào)控制實(shí)驗(yàn)；（4）交流電機(jī)的多速度分時(shí)段運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)；（5）工廠內(nèi)運(yùn)料小車自動(dòng)往返控制實(shí)驗(yàn)。對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，都有具體的應(yīng)用背景，實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容和考核方法，因?yàn)檫@些實(shí)驗(yàn)的綜合性、實(shí)用性極強(qiáng)，需提前做好查資料、進(jìn)行電氣硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，所需時(shí)間較長(zhǎng)，一個(gè)學(xué)生完成起來比較困難，需要學(xué)生分組合作，工程完成，下面就多泵切換的恒壓供水實(shí)驗(yàn)講解一下項(xiàng)目實(shí)施過程。

3 綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施

按照準(zhǔn)備→設(shè)計(jì)→仿真→調(diào)試這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要求學(xué)生完成此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

通過查資料，學(xué)生可以了解其實(shí)驗(yàn)背景：目前南疆農(nóng)業(yè)灌溉中，用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，根據(jù)灌溉閥門打開的多少經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)供水不足或供水過剩的情況，為了解決這個(gè)問題，目前一般采取恒壓供水這種高質(zhì)量供水方式。恒壓供水是指在供水網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時(shí)，出水口壓力保持不變的供水方式，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、觸摸屏技術(shù)構(gòu)成的恒壓供水控制系統(tǒng)，越來越普及。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：如圖2所示，農(nóng)田泵房有M1、M2兩臺(tái)電機(jī)分別拖動(dòng)2臺(tái)水泵，控制要求如下：（1）手動(dòng)、自動(dòng)的切換用可由轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)；（2）手動(dòng)時(shí)，由手動(dòng)按鈕分別控制2臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)、停止；（3）自動(dòng)時(shí)，先用變頻器控制M1啟動(dòng)調(diào)速，當(dāng)變頻器達(dá)到上限50 Hz時(shí)延時(shí)2 min水壓力還在下限，切換M1工頻運(yùn)行，再變頻器控制M2啟動(dòng)調(diào)速；壓力上升到達(dá)上限，延時(shí)1 min水壓力還在上限，電機(jī)M1停止運(yùn)行；當(dāng)壓力下降至下限時(shí)，使電機(jī)M2頻率為50 Hz，延時(shí)2 min水壓力還在下限，把M2切換到工頻運(yùn)行，再由變頻器控制M1啟動(dòng)調(diào)速，如此反復(fù)使水壓恒定；（4）系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用觸摸屏來控制啟動(dòng)和停止，并能直接設(shè)置管道的壓力值。

確定控制方案：經(jīng)過實(shí)際分析，采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)2臺(tái)水泵運(yùn)行。在需供水量增大的加泵過程中，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，由變頻器內(nèi)部輸出繼電器動(dòng)作作為一個(gè)控制信號(hào)將電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)直接供電運(yùn)行，然后變頻器再去啟動(dòng)第二臺(tái)電機(jī)，為了以達(dá)到電機(jī)軟啟動(dòng)降低損耗，PLC控制實(shí)現(xiàn)切換，需減少供水量的減泵時(shí)，由PLC直接停止工頻運(yùn)行的電機(jī)就可以了。另外，試驗(yàn)臺(tái)的MM440變頻器有ADC1、ADC2兩個(gè)模擬輸入端，ADC2接入反饋信號(hào)0～10 V，同時(shí)也把反饋信號(hào)送給S7-200的模擬輸入端，給定的PID目標(biāo)值由ADC1端通過S7-200的模擬輸入端給定。經(jīng)過分析，PLC分配I/O如表1所示

根據(jù)分配好的I/O口，學(xué)生就可以繪制硬件主電路原理圖。

編寫控制程序：根據(jù)I/O口的分配，學(xué)生就可按照程序流程圖設(shè)計(jì)→PLC梯形圖設(shè)計(jì)→觸摸屏TP170B界面設(shè)計(jì)完成軟件設(shè)計(jì)。

調(diào)試控制程序時(shí)，要完成PLC調(diào)試、變頻器調(diào)試和觸摸屏調(diào)試。調(diào)試PLC時(shí)，通過電腦在線監(jiān)控和PLC的I/O狀態(tài)燈來直接觀察，為了節(jié)省時(shí)間，調(diào)試方便，可把定時(shí)器的設(shè)定值改小，PLC的模擬輸出可直接用電壓表觀察輸出結(jié)果，調(diào)試變頻器時(shí)，用小電機(jī)或無電機(jī)調(diào)試，用信號(hào)源代替給定目標(biāo)值和反饋信號(hào)，也可以通過電位器模擬給定，觸摸屏的調(diào)試須鏈接PLC，觸摸屏的24 V直流電可直接由PLC的信號(hào)電源供給。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)收

PLC、變頻器、觸摸屏綜合實(shí)驗(yàn)是我校機(jī)電專業(yè)、電氣專業(yè)教學(xué)中這幾年開設(shè)的及其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，涉及多門課程理論知識(shí)，有電力電子、傳感器、電機(jī)學(xué)、電氣控制、PLC技術(shù)等，側(cè)重于實(shí)踐工程的綜合運(yùn)用。學(xué)生拿到實(shí)驗(yàn)題目后，首先必須仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求有一個(gè)全面系統(tǒng)的了解，收集相關(guān)資料，然后按照指導(dǎo)書的步驟逐項(xiàng)進(jìn)行，完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)做出來后，先有學(xué)生當(dāng)場(chǎng)介紹匯報(bào)，然后由指導(dǎo)老師提問與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的問題，一般從各低壓電器的名稱、功能及選用；控制電路的互鎖和自鎖環(huán)節(jié)；PLC與變頻器的電路連接原理；PLC程序的控制流程；變頻器功能設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)；觸摸屏與PLC的通信及變量的連接；軟件程序和硬件電路配合情況；系統(tǒng)調(diào)試的要點(diǎn)；試驗(yàn)系統(tǒng)的安裝及接線等幾個(gè)方面隨機(jī)提問。根據(jù)學(xué)生的匯報(bào)、完成的情況和指導(dǎo)老師提問，實(shí)驗(yàn)成績(jī)分為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格5個(gè)級(jí)別，若發(fā)現(xiàn)別人代做，取消參加考核的資格。

5 結(jié)語

通過該試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將這3種控制技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生在校期間就能把各種知識(shí)綜合運(yùn)用，除了提高學(xué)生的控制工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的分析、解決問題的能力，工程技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新的能力，還可以提高該校電氣工程、機(jī)電工程專業(yè)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，增強(qiáng)用人單位對(duì)該校學(xué)生的信任度，擴(kuò)大影響力。

參考文獻(xiàn)

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