電氣控制綜合實驗平臺設計與探索

劉宏達, 徐　穎, 王科俊, 盧　芳, 康　崇, 王麗敏, 張學義

(哈爾濱工程大學 自動化學院, 哈爾濱 黑龍江　150001)

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電氣控制綜合實驗平臺設計與探索

劉宏達, 徐穎, 王科俊, 盧芳, 康崇, 王麗敏, 張學義

(哈爾濱工程大學 自動化學院, 哈爾濱 黑龍江150001)

為了做好教學與工業生產的銜接、提高學生的實際工業技能、培養綜合素質全面的大學生,在原有的電工實習、電器理論與應用、PLC和變頻器使用等實驗課程的基礎上進行改革,設計開發了一套面向電氣類專業的開放式的綜合實驗教學平臺。它集識圖、制圖 、裝配、調試、設計于一體,可分層次、分類別并貫穿原有多門課程。實踐效果表明：該實驗平臺可以增強學生學習的興趣,幫助學生迅速掌握現代工業控制的主流實用技術、提高對工業現實問題的解決能力和電氣控制方面的研究興趣。

電氣控制； 綜合實驗平臺; 實驗課程改革

為了促進大學生將理論用于實踐,培養知識雄厚、技術嫻熟的新型人才,教育部和相關企業聯合學校,共同舉辦一些大學生科技類競賽[1-2]。電子類競賽中包含繪圖、制版、焊接元件、編寫控制程序、實際調試等過程,效果比較顯著。但對電氣工程類競賽,由于資金和環境的限制,能讓學生自主設計、動手裝配的訓練很少,更多是偏向于在已經搭建好的硬件環境中進行軟件設計,這達不到全面鍛煉學生動手實踐的目的。在電氣專業的本科生教學環節中,通常只講授電器原理、可編程控制器、變頻器等內容,學生很難接觸到實際的工業元件,學習中常感到晦澀難懂。即便是PLC這類有相關實驗的課程,也是教師提前布線、連線并組態好后,只讓學生進行電腦編程,不會涉及實物布線、查驗、組態等環節[3]。而且,一般高校的PLC實驗內容多是5層或7層電梯控制[4-5],只用到簡單的邏輯控制,這與現代工業中常用的總線控制、模擬數字混合監控是脫節和無法銜接的。而且,上述電氣類實驗通常只針對單獨課程進行,不同課程的實驗之間缺少關聯性,整體缺少向實際工程的接近性。

基于以上問題,為了改變現在教學方式,解決理論與實際的脫節、教學實驗與工業脫節的問題,讓學生在實踐中深刻的學習,我們依托黑龍省教改和國家實驗中心建設項目,設計了一個集理論與實踐于一體的開放式實驗平臺。整個實驗系統基于工業實物構建,通過采購的工業器件和裝置,形成系統性的實驗裝置,改善了原有的相關課程的實驗內容之間易脫節、連續性和繼承性差的缺陷。實驗內容之間環環相連,整個平臺的所有技術協議、規約完全開放。通過安排漸進式和對比性實驗,幫助學生初步接觸現代工業實際；提高學生學習興趣的同時,讓他們在動手中發現問題、解決問題,迅速掌握現代工業控制的主流實用知識與技術,了解前沿技術,增強了學生對工業現實問題的解決能力,提高了學生未來從事電氣控制方面研究的動力。

1　開放式實驗教學平臺總框架

開放式實驗教學項目分為基礎實驗和拓展實驗兩部分。設計的實驗教學內容總框架圖見圖1。

圖1　設計的實驗教學內容總框架圖

基礎實驗培養目的是讓學生初步了解并完整進行幾個基礎性的電氣控制項目,完成從認識并使用工具、電氣識圖/制圖、實物與電工圖符對應、電氣布線與裝配、電路調試過程[6]。該環節中,教師為主導者,學生為實踐者。學生在動手實踐中,學習電氣圖的繪制、電器元件的識別與使用,同時了解并規范電器布線與調試流程等。

拓展實驗是讓學生綜合利用基礎實驗所學,自主設計或在預先設計的案例引導下,去實現一個略微簡化的工業電氣控制項目,并自主完成裝配和調試。自主設計的實驗種類可以包括常用工業電器功能檢驗與控制實驗、基于可編程控制器的電氣控制或監控實驗、基于工業控制技術的變頻器控制實驗、基于典型工業總線的控制與監控實驗等。將這些實驗設計為多層控制、彼此可以交叉,難度層層遞進。該拓展實驗環節,教師為引導者，學生為主導者,在自主設計過程中完成資料搜集、查閱、方案設計、任務分配等環節,過程中還可以引導學生各司其職、知識綜合運用,學習正確記錄實驗數據和現象,科學進行實驗分析,并掌握聯合調試的一些方法、流程和規范等。

根據實驗平臺現有的實驗器材和工具,結合基礎和拓展實驗的布局思想,設計了一系列實驗案例,讓學生通過案例教學實驗,系統層次化地了解工業綜合控制的概念。實驗案例設計層次關系如圖2所示。

實驗平臺提供的電工工具：刻絲鉗1個,斜口鉗1個,尖嘴鉗1個,剝線鉗1個,十字螺絲刀1個,一字螺絲刀1個,可換頭螺絲刀1個,卷尺1個,萬用表1塊,烙鐵1個,烙鐵架1個,焊錫1卷,黑色膠皮墊1塊,線號機1臺,以及線槽、各色電線5種、各類接插件若干和UK電工端子50組。

圖2　實驗案例層次關系

2　基礎實驗案例設計

2.1低壓實驗臺電源配電的設計與安裝

提供的實驗器材包括：三相轉換開關1個，指針式電壓表1個，空氣開關4P1個，空氣開關1P個，交流接觸器1個，急停按鈕1個，五孔插座1個，白色支架2個，螺絲1袋，FUSE4個，指示燈3個(黃綠紅各一)，紅心開關1個，三位端子臺5個，香蕉插孔15個(黑4個,紅4個,黃3個,綠3個,藍1個)，器件安裝架。實物連接圖如圖3所示。

圖3　低壓配電柜實物連接圖

實驗內容包括：認識電源柜用到的基本電氣部件、常用電氣元件,認識相應電氣符號；以安裝實驗臺供電電路為目標,學習電源配電環節中在電氣接線方面的要求、規范、檢驗與調試方法；學習各種電工工具的使

用和線號機的用法；在配電環節裝配過程中,掌握接插件、熱縮管、扎帶的使用,學習并掌握軟硬線類型和線徑選擇,掌握典型指示、保護環節的連接方法。

2.2傳統工業電氣控制方式——繼電器控制實驗

目的是讓學生了解電氣控制中的繼電器控制,并體會繼電器控制修改線路時,重新布線工作量大的顯著缺點。

實驗器材：交流接觸器CJX2-1210 1個，交流接觸器CJX2-0910 2個，時間繼電器1個，時間繼電器底座1個，熔斷器底座1個，熱繼電器1個，UK端子5N5個，UK端子50個，單股銅芯線0.5平15m，單股銅芯線1.5平5m，三相異步電機0.55kW1個，DIN導軌35mm2個，針形接線端子，扎帶100mm若干。

內容大體安排：以三相異步電機的星三角降壓啟動這一典型電氣控制電路(見圖4)為例,學會看電氣原理圖(識圖)；根據電氣圖選擇電器,并進行簡單功能測試,再連接降壓啟動電路,即完成按圖裝配；調試并檢驗繼電器控制電路；連接負載,完成電機降壓啟動。

圖4　三相異步電機的星三角降壓啟動電氣圖

2.3基于可編程控制器的典型電氣控制實驗

實驗目的是讓學生體會到PLC控制替代繼電器控制帶來的便利,演練針對PLC替代繼電器的過程。實驗器材：在2.2節已有實驗器材基礎上提供型號為CPU224XPAD/DC/RLYPLC1臺。大體內容包括：依照安裝手冊了解PLC的結構,并完成PLC外部接線；梯形圖的編程,完成PLC程序的下載和調試；.以星三角降壓啟動為例,用PLC編程替代傳統繼電器控制電路,感受工業由繼電器控制轉為PLC控制意義和價值[7-8]。圖5為該實驗的梯形圖程序,梯形圖“數字邏輯電路”實現了傳統繼電器控制電路的代替。

2.4變頻器控制實驗

目的是讓學生初步掌握變頻器的安裝、連接與使用方法。實驗器材：ABB的ACS550變頻器1臺,0.55kW三相異步電機1臺(空載),變頻器手冊1冊[9]。

圖5　星三角降壓啟動PLC梯形圖程序

實驗大體內容步驟：學習變頻器的結構、端子接線和手動控制方法；學習變頻器控制盤的使用和外接模擬電壓控制；將變頻器和三相異步電機連接,提供控制盤或外接模擬電壓控制,完成基于變頻器控制的電機轉速控制和軟啟動,同時學習利用控制盤獲取電機運行情況的方法。

3　拓展實驗案例

3.1基于PLC的典型工業控制和數字保護實驗

目的：引導學生基于PLC的實現更復雜的數字控制與保護。案例：以2臺三相異步電動機順序啟動、逆序停止為例[7]。

要求：設計主電路和控制電路圖并進行電氣CAD繪制,根據設計好的控制電路選擇實驗器材和工具,進行裝配并調試。用PLC實現數字保護,以代替(或冗余)傳統的基于繼電器的熱保護和電壓保護，即用PLC的A/D功能進行電壓、電流采集,并在PLC程序內部處理判斷,當電壓、電流越限時,報警并發出保護命令使主回路接觸器斷開。

3.2利用PLC的總線模塊控制變頻器

目的：學習掌握最基本的工業總線網絡的配置、運行和軟硬件設計。

案例：利用S7-200(或兼容PLC)的RS485模塊,按照變頻器自身的通信協議[8],實現基于總線的PLC-變頻器之間的控制模式。

要求：了解并掌握MODBUS通信協議和CRC16校驗,利用STEP7-Micro/WIN32軟件實現MODBUS協議編程[9-10]；然后將載有MODBUS協議程序的PLC,通過RS485總線,控制變頻器的啟動、停止、加速/減速到給定值；并通過PLC讀取到變頻器的相關參數(如電壓、電流、轉速、轉矩、功率等),以及對監測數據進行存儲。

案例引導：S7-200PLC和ACS550變頻器都具有RS485通信口；采用PLC的PORT0端進行MODBUS通信；PLC做主站；變頻器為從站,其站號為1；總線網絡中所有站點的通信設置必須相同(波特率為9.6kbit/s,8位數據,無奇偶校驗,1位停止位)。利用STEP7-Micro/WIN32進行編程,PLC的PORT1口用作程序下載口,相對應的PLC程序的流程圖見圖6。

圖6　總線模式的PLC流程圖

3.3典型工業監控實驗

目的是讓學生掌握最基本的工業分散式控制系統DCS的組成與工業實現,即引導學生實現管理級(工業計算機級)-車間網絡級(PLC)-現場級(變頻器)的三級控制。

(1) 計算機和PLC之間的數據傳輸實驗。實驗目的是引導學生利用RS485將計算機、PLC、變頻器級聯在一起,實現分層控制。需要學生在3.2節的基礎上,在計算機上利用工業組態軟件[11-12](如組態王)設計一個監控界面,監控PLC,PLC對變頻器-電機組成的傳動系統進行運行監測和控制。實施內容主要包括：實時讀取PLC寄存器內存儲的(來自變頻器)傳動系統運行數據；可以在監控界面上輸入0～1 410r/min中任何一個轉速值,被控電機的轉速達到特定值則進行聲光報警；在監控界面上,可以顯示變頻器內部相關參數的實時曲線,還可以查詢到歷史曲線和報警記錄等。

圖7為學生們自主設計搭建的監控界面,圖中實際轉速值(綠色線)可以很好地跟隨理論輸入值(紅色線),說明該套三級控制系統已經能夠很好實現對電機轉速的控制。

圖7　學生設計搭建的組態界面

(2) 計算機直接對變頻器監控?？紤]到工業中有些時候可以從管理級直接對現場級裝置進行操控，所以設計了此引導實驗。學生通過工控組態軟件在電腦上搭建監控程序,越過PLC,直接讀取或改寫變頻器的內部寄存器中的數值,從而實現對變頻器-電機組成的傳動系統進行控制。

(3) 其他擴展實驗。對部分學生,還引入了基于GSM、Zigbee、WIFI這些無線網絡對PLC+變頻器+電機的電氣系統的監控。

4　實驗效果與學生反饋

學生以團隊形式進行實驗,5～6人為一個工作小組。實驗總學時設置為20學時,其中有3～4學時進行相關知識的講授。在學生完成整套實驗后,學生要根據本組的實驗過程和成果,寫出分析總結報告,包括整體的方案設計、小組成員分工情況、方案實現步驟、實驗過程中遇到的問題和解決方法、最終的實驗結果和心得體會等。最后的實驗總結有利于學生對整個實驗有一個整體、全面的體會,效果更加顯著。經過3年多的教學應用,我們通過對每年參與實驗的學生的調查,總結出的實驗效果和學生反饋見表1。

表1　實驗效果與學生反饋調查結果

5　結語

該電氣綜合實驗平臺較好地滿足了我校電氣專業學生的部分培養需求?；诮處熛戎笇Ш笠龑?學生先實踐后自主的實驗教學方式,讓學生學習實際的工業設計流程,進行自主裝配和自主實驗,解決了傳統實驗教學模式只知原理和淺層使用、無工業系統綜合控制系統的問題。設計的開放性教學實驗臺脫胎于工業實際,學生通過該教學系統,可以實際接觸工業產品和開發調試過程,大大提高了學生學習的積極性和實驗主動性。在動手實踐中,還加深了對學生專業課程的認識和對專業的好感,同時,增強了他們的團隊合作性和解決問題的軟能力。

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Designandexplorationofelectriccontrolintegratedexperimentalplatform

LiuHongda,XuYing,WangKejun,LuFang,KangChong,WangLimin,ZhangXueyi

(AutomationCollegeofHarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Thispaperproposesanovelopentypeintegratedexperimentalplatformforelectriccontrolteaching,basedonthereformofsomepreviouselectricexperimentslikeelectricalengineeringpractice,theoryandapplicationofelectricappliance,PLC,useofconverter,etc.,aimingatlinkingupschoolandindustry,improvingthestudents`actualindustryskillsandcultivatingall-sidedcollegestudents.Theproposedplatformintegratesreading,drawing,assembling,debugginganddesigningandinvolvesanumberofpreviouscourseshierarchically.Practicalresultsshowthatthisplatformcanenhancethestudents’interestinstudyandresearchofelectriccontrol,havingarealgraspofkeyskillsofmodernindustrycontrolrapidlyandtrainingtheabilitysolvingtheactualengineeringproblems.

electriccontrol；integratedexperimentalplatform;experimentreform

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.019

2015- 10- 27修改日期：2015- 12- 01

黑龍江省高等教育改革項目(JG2013010177,JG2013010202);黑龍江省高等教育學會教育科學研究規劃項目(HGJXHC110374)；哈爾濱工程大學教育改革項目(SYJG20130412)

劉宏達(1976—),男, 山東蓬萊,博士,副教授,主要研究方向為微電網與智能電網.

E-mail：liuhd405@163.com

G642.423;TM571

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1002-4956(2016)5- 0069- 05