基于MCGS的“變頻調速技術”虛擬實訓平臺設計

董改花，曹新東

基于MCGS的“變頻調速技術”虛擬實訓平臺設計

董改花，曹新東

針對高職機電類專業設備投資大、維修費用高的現象，利用組態MCGS，開發適用于高職的變頻調速技術仿真實訓平臺，并設計了每個項目的具體步驟。此平臺成本低，操作簡單，具有很好的擴展性。

高職；虛擬實訓平臺；變頻調速技術；工業組態MCGS

一、問題的提出

隨著變頻調速技術的廣泛應用，“變頻調速技術”課程已經成為高職機電類專業的一門主干核心課程。“變頻調速技術”是一門實踐性較強的課程，應該多開設一些與工業實際應用緊密結合的實訓項目，需要搭建一個良好的實訓平臺。而由于資金、價格、設備、場所等各方面條件限制，各學校難以投入大量工控設備構建真實企業場景的實訓平臺。目前，各學校所采用的變頻調速技術實訓平臺基本上分為兩類。一類是簡易的變頻器實訓箱，此實訓裝置沒有真實的被控對象，學生通過觀察指示燈的亮滅與變頻器有無頻率顯示來判斷程序的運行狀況，學生很難理解控制過程，程序出了問題很難找到具體原因。這種實訓平臺對學生編程結果表現不明顯、不直觀。學生只能憑空想象被控對象的工作過程，無法看到實際的運行效果，很大程度上影響到了學生學習的積極性與主動性。此外此種變頻調速實訓平臺容易造成接錯線等不當操作，導致維修成本高、安全隱患大等問題，而且對于復雜的控制模型比較難實現。另一類是教學設備廠商開發的特殊企業模擬實訓平臺，例如亞龍、天煌等公司開發的微型實訓設備，很好的反映了工業真實情景，教學效果不錯。但是，此類設備造價昂貴，有的一套要數萬元，有的甚至要十幾萬元，而且后期維護費用也高、占地面積一般較大。學校很少投資，即使投入了也不能夠保證人手一機的操作訓練。

針對以上“變頻調速技術”實訓教學平臺的現狀，一種既能很好的展現工業控制現場情景，又能不增加硬件成本支出的“變頻調速技術”課程實訓平臺的開發，顯得非常具有實際意義。

二、虛擬實訓平臺軟件選擇

組態軟件產品出現在上世紀80年代初，我國是上世紀90年代引入的。由于組態軟件具有圖像顯示、動畫顯示、報警處理、報表輸出等各種功能，能滿足用戶各種需求，目前已經廣泛用于各種工業控制中。［1］但組態軟件在仿真教學系統［2］的應用是從2002年開始的，研究應用領域大多是對PLC課程實訓仿真系統的開發及實現方面，［3］此外，還有部分是對PLC通信方面的研究。［4］然而，在現有的參考文獻中，還體現以下兩方面的不足。（1）選用的控制工程不全面，開關量控制較多，對模擬量的控制幾乎沒有。（2）系統遠程監控功能并沒有充分發揮組態軟件的全面功能，在系統遠程監控功能及網絡功能方面研究不多，應用功能沒有發揮出來。

目前還沒有將組態軟件應用于對變頻調速技術課程實訓平臺的開發。本文擬將組態軟件設計實訓平臺的方法應用于變頻調速技術課程中，而且針對PLC課程應用中出現的不足予以彌補，本系統新增模擬量工業控制場景及實現上位機遠程監控功能，本文選用了工業控制中應用廣泛的MCGS軟件。

三、虛擬實訓平臺設計

（一）實訓主平臺設計

根據變頻調速技術課程大綱及高職學生認知特點和能力要求設計實訓項目內容。將基于工業組態MCGS的“變頻調速技術”實訓平臺分為2個部分，分別為基本技能實訓模塊、應用提高實訓模塊。第一部分基本訓練模塊包括5個實訓項目：實訓項目一：變頻器FR-D700外部端子點動控制；實訓項目二：變頻器FR-D700控制電機正反轉；實訓項目三：變頻器FR-D700多段速度選擇變頻器調速；實訓項目四：變頻器FR-D700無級調速；實訓項目五：外部模擬量（電壓/電流）方式的變頻調速控制。第二部分應用提高訓練模塊包括6個項目。實訓平臺主界面如圖1所示。

圖1　“變頻調速技術”課程實訓主平臺

（二）單個實訓項目的開發

現以其中一個實訓項目三“變頻器FR-D700多段速度選擇變頻器調速”為例，闡述項目開發過程。

1.確定被控對象及控制功能。變頻器FRD700多段速度選擇變頻器調速實訓項目要求：（1）學生能正確設置變頻器輸出的額定頻率、額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉速。（2）通過外部端子控制電機多段速度運行，開關“K2”、“K3”、“K4”、“K5”按不同的方式組合，可選擇15種不同的輸出頻率，分別為5Hz、10Hz、15Hz、18Hz、20Hz、23Hz、29Hz、32Hz、35Hz、38Hz、41Hz、44Hz、47Hz、50Hz。（3）運用操作面板設定電機運行頻率、加減速時間。

2.仿真動畫靜態界面設計。根據實訓項目控制要求，利用MCGS組態軟件設計靜態界面如圖2所示。

圖2　項目三虛擬實訓平臺

3.實時數據庫的設計。根據實訓項目控制要求，利用MCGS組態軟件設計靜態界面要建立變量。

4.靜態畫面及腳本程序的編寫。變頻器FRD700多段速度選擇變頻器調速實訓項目靜態畫面設計好之后，要運行起來還需要循環動態腳本。具體腳本編寫應該按照K2、K3、K4、K5動作的順序編寫。

5.設備通訊聯機調試。首先，實訓前對該變頻器參數在虛擬實訓平臺上逐一進行設置。

當按下啟動按鈕K1，電機啟動，Run運行監視指示燈亮。當按下頻率給定按鈕K2、K3、K4、K5時，電機按照指定頻率運行。K2、K3、K4、K5不同組合將有不一樣的運行頻率。

當按下K1、K4時，電機運行指示10Hz，電機運行指示燈Run變亮，同時電機運行標志燈變綠。調試如圖3所示。當按下K1、K4、K3時，電機

圖3　按下K1、K4時第2速調試圖

運行指示18Hz，電機運行指示燈Run變亮，同時電機運行標志燈變綠。調試如圖4所示。

圖4　按下K1、K3、K4時第4速調試圖

四、總結

基于組態軟件MCGS的變頻調速技術實訓平臺的設計與開發，是將PLC、變頻器、組態MCGS有機地結合起來，利用工業組態MCGS軟件模擬多種變頻控制對象，在上位機計算機屏幕上以動畫的形式再現變頻控制系統的工作過程。學生不需要實物，僅需要與上位機通過RS-232連接就可檢驗所編程序是否正確。

（一）有利于降低教學成本

此系統不需要在另外增加任何硬件資源的情況下，可以構建各種變頻工業控制情景。利用上位機的組態畫面仿真變頻控制系統，避免了實訓中變頻器與控制對象的硬件接線，減少了實訓中的硬件故障率和材料耗損，有效地降低了教學成本。

（二）有利于設計實訓項目

此系統擴充及更新實訓內容模板極為方便，只需更改軟件。實訓中，可通過編寫不同的控制程序實現不同的控制要求，而不用改變復雜的硬件接線。因此，本系統具有較好的開發柔性與擴展性。

（三）有利于提高學生學習主動性

本控制系統畫面生動逼真，學生在調試程序階段能更好的觀測變頻控制對象的動作過程，控制效果形象生動，學生易于理解，極大調動了學生學習的積極性。能夠培養學生的自主創新能力，有效提高學習效果。

［1］朱曉華，馮玉田，章玉鑒.基于組件技術的虛擬儀器開發方法的研究［J］.上海大學學報（自然科學版），1999（4）：357-361.

［2］尹愛軍，楊正益，孫麗萍，等.虛擬儀器開發中功能組態設計［J］.振動、測試與診斷，2010（2）：193-196.

［3］金亞玲，劉義杰，鄭志廣.淺談組態軟件在PLC實驗教學系統中的實現［J］.企業導報，2011（17）：238-240.

［4］王寶林.基于組態軟件的全虛擬PLC教學系統實現及應用［J］.中國教育技術裝備，2014（8）：42-45.

［責任編輯陳國平］

江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃一般項目（項目編號：201512685001Y）；江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃資助項目（項目編號：2015FX068）；蘇州經貿職業技術學院教育教學研究重點課題（項目編號：201505）

董改花，女，蘇州經貿職業技術學院副教授，碩士，主要研究方向為機電一體化教學。

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1674-7747（2016）21-0067-02