項目比較教學在變頻器課程中的應用

◆鄭劍 張澧生 張華

作者：鄭劍，博士研究生，講師、工程師，湖南機電職業技術學院電氣工程學院，湖南大學電氣與信息工程學院，研究方向為電氣傳動系統故障診斷與容錯控制，從事電氣自動化、機電一體化的教學科研與工程應用工作；張澧生、張華，湖南機電職業技術學院電氣工程學院（410151）。

變頻器是工業自動化領域的重要電氣設備，隨著技術的發展和價格的降低，其應用日益廣泛。目前高職電氣自動化技術、機電一體化技術、電機與電器（電力電器技術方向）等專業均將“變頻器應用技術”列為核心課程，培養能力主要側重于變頻器的參數設置、外部控制電路的連接與調試[1]。變頻器的外部控制端子有模擬端、數字端、通訊端三種。前兩種是重點和經典教學內容[2]，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，一直是教學難點，在以往教學中常常省略不講或簡單介紹一下，讓學生知道有這么回事即可。

在工程與科研實踐中深刻體會到，變頻器通訊控制是調速電氣傳動系統發展的必然趨勢。因此，為了讓學生適應技術的發展趨勢，課程教學中不應該回避這一教學難點。如何將教學難點化難為易，使學生理解并掌握變頻器通訊控制的基本知識和技能？這是一直在思考與探索的問題。在教學實踐中，綜合變頻器、可編程控制器（以下簡稱PLC）、單片機三門專業課程，設計開發兩個基本教學項目，即PLC通過串口控制變頻器、單片機通過串口控制變頻器。在教學過程中采用比較教學法，將兩個項目從硬件電路、參數設置、軟件編程、安裝調試等方面進行比較，取得較好的教學效果。

1 教學項目的設計

設計教學項目時，主要考慮三點原則[3]。

一是要有工程背景。項目教學內容來自工程實際中的成熟產品和常見任務；市場占有率不大或技術瀕臨淘汰的產品、上市不久的前沿概念產品一般不納入教學內容。

二是要適合課堂教學。有的實際產品或任務可以直接在課堂上制作、訓練，但也有很多并不適合在課堂直接教學，因此需要對實際產品或任務進行處理，“抓住主要矛盾，忽略次要矛盾”，設計開發出適合課堂教學和學生學情的典型項目、典型任務。

三是要有可比性。這是在設計教學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。這樣在教學過程中可采用比較教學法，使學生更好地認識和把握事物的本質。

基于上述原則，設計兩個具有可比性的教學項目：PLC通過串口控制變頻器、單片機通過串口控制變頻器。

項目一的教學裝置如圖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[4]。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，工業環境下需要裝設終端電阻、偏置電阻，課堂教學環境下為簡單起見，可以不用這些電阻，并不影響通訊效果。為便于課堂教學，控制任務剛開始宜簡不宜繁，因此采用兩個按鈕遠程控制變頻器的啟動和停止。SB1、SB2是自復型按鈕開關，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，電機運行；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，電機停止。電機銘牌數據為：額定功率60 W，額定電壓380 V，額定電流0.35 A，額定頻率50 Hz，額定轉速1440 r/min。

圖1 PLC通過串口控制變頻器的硬件電路

項目二的教學裝置如圖2所示，變頻器側的主電路與圖1相同，控制電路中用單片機替代PLC，選用AT89C51。由于變頻器14、15號端子是RS485電平，而單片機10、11號引腳是TTL電平，因此兩者之間需要電平轉換，這里選用MAX485芯片[7]。MAX485的1、8號腳是信號傳輸端，需要連接兩個120 Ω的電阻[5]。控制任務與項目一相同，K1是啟動鍵，K2是停止鍵，都是自復型按鍵。

圖2 單片機通過串口控制變頻器的硬件電路

2 教學項目的比較

俄國教育家烏申斯基認為：“比較是一切理解和思維的基礎，我們正是通過比較來了解世界上的一切。”在項目教學過程中，引入比較教學法，將后續項目與前導項目進行比較，找出異同，可以使學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、準確。下面將兩個項目從硬件電路、參數設置、軟件編程、安裝調試等方面進行比較。

硬件電路 變頻器課程一般開設在PLC課程、單片機課程之后，有了前導課程的鋪墊，面對教學裝置，學生能夠說出兩個項目在硬件電路方面的異同。系統的主電路相同，控制電路有所不同，但控制任務相同。教學過程中教師可適時要求學生將PLC硬件方案改造成單片機硬件方案，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接口進行比較。通過比較，學生認識到，RS232既是電氣標準又是物理標準，因此接口的引腳定義是全球統一的；而RS485僅是電氣標準不是物理標準，因此接口的引腳定義不是統一的，各個廠家不盡相同。

參數設置 兩個項目的變頻器、電機、控制任務、通訊協議都相同，因此，MM420變頻器的參數設置亦相同，見表1。表1中P2009～P2014是通訊參數，要求學生“知其然，知其所以然”。雖然P2009～P2014的設置值與缺省值基本相同，也要求學生動手設置一遍，調出參數號，更改設定值，回到缺省值，通過這樣的操作達到“知其然”的目的。為了“知其所以然”，需要結合軟件編程來理解。

軟件編程 西門子變頻器所采用的通用串行接口協議（簡稱USS協議）被學生稱為“難點中的難點”，主要難在報文結構與數據含義。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，兩個軟件在前導課程中均已使用過。項目一用到USS_INIT和USS_CTRL兩條USS協議指令，采用梯形圖，具有面向對象的編程特點，程序中的波特率、變頻器地址應與參數號P2010、P2011一致，PLC的梯形圖程序詳見附錄1（略）。項目二則具有面向過程的編程特點，需要結合參數號P2012、P2013深入理解啟動、停止變頻器的報文數據，對于初學者有難度。單片機的程序框圖如圖3所示，詳細的C語言源程序見附錄2（略）。為了將教學難點分散，程序框圖剛開始應盡量簡單，因此沒有檢測變頻器的應答報文，這些內容可以安排在拓展項目中進行。

表1 MM420變頻器的參數設置

安裝調試 系統在安裝調試過程中的一般注意事項應嚴格按照廠家提供的技術文檔，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[4]。

變頻器側主電路屬“強電”，若程序存在問題，容易造成設備損毀和人員傷害。因此在下載、運行程序前，要求必須認真全面檢查程序，確定準確無誤時才能運行程序，最好先進行通訊仿真。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軟件可以仿真調試。在軟硬件聯調時，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據和檢測故障[6]。

3 教學項目的拓展

上述兩個教學項目的硬件電路與控制任務都較為簡單，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。可將基本項目進行拓展，形成多個拓展項目。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，相應地西門子PLC也改成三菱PLC，其他條件不變；控制任務不僅有電機的啟保停，還有電機的正反轉、加減速等。

拓展項目也可以實施比較教學，與基本項目進行比較。實踐表明，在基本項目的基礎上，適時適當地進行一些拓展項目的教學，很有好處。

1）學生在基本項目中涉及的基本知識與技能，在拓展項目中又會訓練一遍。眾所周知，職業技能的掌握需要“重復訓練，刻意練習”。

2）拓展項目更接近工程實際，可以讓學生零距離接觸真實職業任務，提高專業綜合應用能力。

3）拓展項目中的任務解決方案，沒有唯一答案，“仁者見仁，智者見智”，有利于培養學生的創造性思維與創新精神，這一點對于基礎較好、學有余力的學生而言，好處尤為明顯。

經過筆者對“變頻器應用技術”課程幾輪的教學，將項目比較教學引入到理實一體化課堂教學中，取得良好的教學效果，學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，并可進一步提高專業綜合應用能力。教學實踐表明，精細化設計項目教學內容、實施項目比較教學是高職專業課程的有效教學策略。■

[1]成立平.高職專業人才精細化培養研究[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2]楊翠明,謝承力.機電類高職院校辦學特色研究[J].教育與職業,2008(21):47-49.

[3]教育部職業教育與成人教育司.高等職業學校專業教學標準（試行）:制造大類[S].北京:中央廣播電視大學出版社,2012.

[4]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.

[5]謝芳芳,鄭劍.高職電氣自動化技術專業單片機課程教學改革探討[J].中國電力教育,2014(15):58-60.

[6]鄭劍,李中群,何怡剛.開關電源電容器的軟故障特征參數提取與預測[J].計算機測量與控制,2014,22(2):329-331.