“電氣裝備控制”創(chuàng)新性實驗平臺構(gòu)建

趙建勇，盧慧芬，潘再平

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

電氣裝備的計算機(jī)控制是當(dāng)今工業(yè)控制發(fā)展的一個主流方向，該技術(shù)涵蓋了微電子、機(jī)械、信息、自動控制、傳感測試、電力電子等專業(yè)知識［1－3］，學(xué)習(xí)該課程能夠拓寬學(xué)生的專業(yè)知識面，提高綜合運(yùn)行各學(xué)科知識的能力。所以浙江大學(xué)電氣學(xué)院為電氣工程及其自動化專業(yè)本科生開設(shè)了“電氣裝備的計算機(jī)控制技術(shù)”課程。該課程是一門理論與實踐相結(jié)合的專業(yè)課程，必須有相應(yīng)的實驗平臺。一套符合學(xué)生實際需要且具有創(chuàng)新性開發(fā)功能的實驗平臺能夠使學(xué)生更加深入地理解其所學(xué)課程的理論知識，并且能提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合動手能力［4－6］。

創(chuàng)新實驗平臺分為多個掛箱，便于維護(hù)，同時也易于學(xué)生理解其結(jié)構(gòu)原理。硬件模塊緊密結(jié)合學(xué)生所學(xué)理論知識，整個系統(tǒng)涵蓋了課程的主要內(nèi)容，通過該實驗平臺可以對課堂所學(xué)的各個知識點(diǎn)有直觀的理解。實驗平臺的軟件部分則可以使學(xué)生充分發(fā)揮其想象力，通過編寫不同的程序來實現(xiàn)不同的功能。實驗平臺掛箱以及供電部分均設(shè)有保護(hù)裝置，具有較高的安全性，適合學(xué)生操作。

1 實驗平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件是由計算機(jī)、接口電路、外部設(shè)備等模塊組成，是實驗平臺控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。軟件能夠完成對其接口和外部設(shè)備的控制，完成對信息的處理，軟件包括主機(jī)工作的系統(tǒng)軟件和為完成控制而進(jìn)行信息處理的應(yīng)用軟件兩大部分。

該系統(tǒng)中，操作臺為人機(jī)交互界面，學(xué)生在操作臺編寫程序或加入相應(yīng)的指令時，該指令由計算機(jī)CPU讀取后送到機(jī)箱中安裝的數(shù)據(jù)采集卡處理，然后經(jīng)過D／A及D／O通道將模擬信號輸出到被控對象，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)指令的要求進(jìn)行動作。被控對象部分包含了各種傳感測試儀器，傳感器采集到的信號經(jīng)過A／D及D／I通道將數(shù)據(jù)送到采集卡，然后在人機(jī)交互界面顯示。根據(jù)學(xué)生編寫指令的不同，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作以及返回的數(shù)據(jù)也都各不相同，因此可以實現(xiàn)多種控制功能。

2 實驗平臺硬件組成

該實驗平臺主要用于電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生使用，所以選擇了三相異步電機(jī)作為控制對象。控制系統(tǒng)主要硬件包括PCI－1202數(shù)據(jù)采集卡、模擬輸入輸出端子板DB－1825、隔離數(shù)字量I／O端子板DB－16P、隔離數(shù)字量I／O端子板、DB－16R數(shù)據(jù)采集實驗箱、繼電接觸控制實驗掛箱、三相供電電源等。

PCI－1202數(shù)據(jù)采集卡見圖2。

圖2 PCI－1202數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集以傳感器、信號測量與處理、微型計算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，實用型很強(qiáng)。通過對信號的測量（數(shù)據(jù)獲取）、處理、控制及管理，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的測、控、管自動化與一體化。在電氣裝備的計算機(jī)控制技術(shù)中具有十分重要的地位。

PCI－1202為12位PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，有：16通道單端／8通道差分模擬輸入，可擴(kuò)展到256通道；16個數(shù)字量輸入通道和16個數(shù)字量輸出通道；兩通道12位D／A輸出通道；16位計數(shù)／定時器［7］。它的采集分辨率高，同時編程簡單，適合學(xué)生使用，而且它具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，符合學(xué)生創(chuàng)新性實驗的要求。

DB－1825用于PCI－1202系列的37針電纜連接口的螺栓連接端子板 （32通道單端，16通道差動）。它具備斷路檢測、低通濾波、電流電壓轉(zhuǎn)換等功能。

DB－16P板卡如圖3所示，它是一塊帶隔離的16通道數(shù)字輸入卡，用于PCI總線的多功能卡。它的光隔輸入由雙向光電耦合器帶一個電流檢測電阻組成。可以用它來檢測從TTL電平到24V的直流信號，也可以用來檢測寬范圍的交流信號，還可以用此卡來隔離計算機(jī)和工業(yè)環(huán)境中常發(fā)生的共模電壓、地環(huán)流以及電壓尖峰。

圖3 模擬輸入輸出端子板DB－16P

DB－16R是一塊由16個C型繼電器組成的繼電器輸出板，如圖4所示。它用于可編程控制的有效的負(fù)載切換。其插頭定義和板卡性能與785系列完全兼容，只是使用了工業(yè)型的接線端子塊。DB－16R能與PCI－1202板卡配合使用。通過20芯扁平電纜接頭傳過來的5V電壓信號會使對應(yīng)的繼電器處于工作狀態(tài)。16個表明狀態(tài)的LED與16個繼電器一一對應(yīng)，當(dāng)它所對應(yīng)的繼電器工作時，該LED就會發(fā)光。為了避免PC機(jī)電源過載，該卡還提供螺釘端子用于外接電源［8－9］。

數(shù)據(jù)采集實驗箱如圖5所示，包含3個交直流電壓傳感器、3個交直流電流傳感器及DB－1825接線端子板，面板上分別引出電流、電壓傳感器原邊及弱電側(cè)電流、電壓信號（0～±10V）［10］。

圖5 數(shù)據(jù)采集實驗箱

繼電接觸控制實驗掛箱如圖6所示，包含2個主接觸器（交流220V）及對應(yīng)的3對主觸點(diǎn)及4對輔助觸點(diǎn)，1個中間繼電器（直流24V）及對應(yīng)的觸點(diǎn)，熱繼電器和時間繼電器各1個，還有3個按鈕開關(guān)及指示燈。

圖6 繼電接觸控制實驗掛箱

除以上硬件裝置外，三相供電電源以及三相異步電機(jī)均采用浙江大學(xué)電氣學(xué)院機(jī)電運(yùn)動控制實驗室原有電機(jī)控制實驗平臺，該裝置已經(jīng)長時間應(yīng)用于學(xué)生實驗中，性能可靠穩(wěn)定，安全性高，配合使用后更能保證新搭建平臺的安全性和穩(wěn)定性。

3 實驗平臺軟件調(diào)試環(huán)境

該實驗平臺的人機(jī)交互部分采用了Borland C＋＋Builder。它是基于C＋＋語言的快速應(yīng)用程序開發(fā)工具，是最先進(jìn)的開發(fā)應(yīng)用程序的組件思想和面向?qū)ο蟮母咝дZ言C＋＋融合的產(chǎn)物。C＋＋Builder充分利用了已經(jīng)發(fā)展成熟的Delphi的可視化組件庫（visual component library，VCL），吸 收 了 Borland C＋＋這個優(yōu)秀編譯器的諸多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合了先進(jìn)的基于組件的程序設(shè)計技術(shù)，成熟的可視化組件庫和優(yōu)秀編譯器、調(diào)試器。目前C＋＋Builder已經(jīng)成為一個非常成熟的可視化應(yīng)用程序開發(fā)工具，功能強(qiáng)大而且效率高［11］。其可視化界面如圖7所示。

圖7 C＋＋Builder組件界面

電氣工程專業(yè)學(xué)生均有過C＋＋或者C語言學(xué)習(xí)經(jīng)歷，因此對于該軟件的使用能夠較快地掌握和應(yīng)用。同時其可視化界面更加有利于人機(jī)交互，可以直觀地觀察計算機(jī)采集的各種電氣參數(shù)及波形，發(fā)送和接收指令快捷，符合電氣裝備計算機(jī)控制的基本要求。

4 實驗平臺應(yīng)用說明

實驗平臺可以根據(jù)硬件電路連接的不同以及編寫程序的不同而組成多種實驗電路，實現(xiàn)不同的功能。實驗系統(tǒng)基本硬件接線如圖8所示。

該平臺采用的PCI－1202數(shù)據(jù)采集卡自身帶有一個demo庫，學(xué)生首次實驗時可以在連接好基本硬件電路后先調(diào)用PCI－1202采集卡自帶的某個庫文件到C＋＋Builder［12］，對該程序編譯運(yùn)行后即可實現(xiàn)平臺的簡單控制功能，如電機(jī)啟動、電機(jī)電壓電流信號單組采集等。通過該實驗使學(xué)生對該實驗平臺進(jìn)行認(rèn)識和學(xué)習(xí)。在后續(xù)實驗中便可以讓學(xué)生自主創(chuàng)新，根據(jù)自己設(shè)計的控制方案進(jìn)行硬件或者軟件的設(shè)計，實現(xiàn)其預(yù)期的功能。

圖8 數(shù)據(jù)采集控制電路接線圖

5 結(jié)束語

“電氣裝備計算機(jī)控制”創(chuàng)新性實驗平臺的構(gòu)建，豐富了“電氣裝備的計算機(jī)控制技術(shù)”課程的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生通過實驗對理論知識有了更深的理解，真正明白了計算機(jī)控制硬件、弱電控制強(qiáng)電的物理概念。同時該實驗平臺的靈活性為學(xué)生的創(chuàng)新實驗提供了良好的平臺，高年級本科生以及研究生均可通過該平臺進(jìn)行某些探索實驗。創(chuàng)新的實驗類似科研活動，更能調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，對培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和科研素質(zhì)具有較大的作用，所以該實驗平臺在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，對實驗教學(xué)改革具有很大的意義。

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