基于“PLC+變頻器”的電機控制綜合實驗項目的開發和實施

裴玖玲+王憲磊

摘 要：如今的控制領域，PLC、變頻器、觸摸屏技術的綜合應用相當廣泛，在“PLC+變頻器”實驗臺組成的前提下，以實際應用為背景，重點介紹結合試驗臺開發新的綜合性、創新性實驗項目，通過這些實驗項目的實施，將當今在自動控制領域三大主流技術（PLC、變頻器、觸摸屏技術）引入到實驗教學中，以提高該校學生的控制工程素質，培養學生的創新精神。

關鍵詞：PLC 變頻器 觸摸屏 電機控制 實驗項目

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（c）-0031-02

在自動化控制領域，任何一個工廠企業的生產線，例如：阿拉爾周邊的棉花加工廠、滴管帶廠、紡織廠等，還是現代農業的節能灌溉技術、居民樓的無壓供水、乘坐的電梯，使用的空調、冰箱、洗衣機等家電設備，都離不開變頻器、PLC對電機的調速。當今PLC、變頻器、觸摸屏三大控制技術在自動化領域的綜合運用相當廣泛，社會越來越需要高素質的控制工程技術人才。

該校作為南疆唯一一所綜合性大學，擔負著南疆控制工程人才輸出的重任，雖然學校目前開設的有電氣控制與PLC技術課程、電力電子技術課程，但是這兩門課程的實驗設備陳舊，實驗項目偏重于原理性、驗證性、基礎性，沒有專門的變頻器和觸摸屏應用實驗，更別提3種控制技術聯合起來的綜合運用了，這種脫離社會對高素質控制工程人才需求的現象，迫切需要彌補。

1 PLC+變頻器試驗臺建立

利用原來的PLC實驗室資源，引入變頻器和觸摸屏，經過全系教師費盡心力的技術改造，實現了PLC+變頻器綜合試驗臺的開發。試驗臺控制系統采用西門子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，靈活地實現了綜合性實驗的開發。實驗時，需要學生根據所設計的圖紙，現場接線，可通過外部按鈕、觸摸屏兩種方式控制交流電機的運行（如圖1）。

該試驗臺能實現的功能：（1）通過觸摸屏TP170B控制交流電動機的運行，顯示其工作狀態，并可在線設置電機的運行速度，變頻調速時速度上限設為50 Hz，超過此設定范圍，觸摸屏將報警提示，且觸摸屏能實時顯示交流電動機的運行速度曲線；（2）可通過試驗臺面板上的起停按鈕手動控制交流電動機的運行；（3）可開發與電機、風機有關的綜合性實驗項目。

2 綜合性實驗項目的開發

根據周邊工廠企業調研，挑選實用背景范圍廣的綜合性實驗項目，經過篩選，共開發了5個綜合性實驗編制成實驗書，它們是：（1）多泵切換恒壓供水實驗；（2）儲水器水位控制實驗；（3）中央空調控制實驗；（4）交流電機的多速度分時段運行控制實驗；（5）工廠內運料小車自動往返控制實驗。對于每一個實驗，都有具體的應用背景，實驗目的、實驗內容、實驗要求、實驗考核內容和考核方法，因為這些實驗的綜合性、實用性極強，需提前做好查資料、進行電氣硬件設計和軟件設計，所需時間較長，一個學生完成起來比較困難，需要學生分組合作，工程完成，下面就多泵切換的恒壓供水實驗講解一下項目實施過程。

3 綜合性實驗項目的實施

按照準備→設計→仿真→調試這樣的系統設計原則要求學生完成此實驗項目。

通過查資料，學生可以了解其實驗背景：目前南疆農業灌溉中，用戶用水的多少是經常變動的，根據灌溉閥門打開的多少經常會出現供水不足或供水過剩的情況，為了解決這個問題，目前一般采取恒壓供水這種高質量供水方式。恒壓供水是指在供水網中用水量發生變化時，出水口壓力保持不變的供水方式，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，隨著變頻調速技術的日益成熟，利用變頻器、PLC、觸摸屏技術構成的恒壓供水控制系統，越來越普及。

實驗目標：如圖2所示，農田泵房有M1、M2兩臺電機分別拖動2臺水泵，控制要求如下：（1）手動、自動的切換用可由轉換開關實現；（2）手動時，由手動按鈕分別控制2臺電機的啟動、停止；（3）自動時，先用變頻器控制M1啟動調速，當變頻器達到上限50 Hz時延時2 min水壓力還在下限，切換M1工頻運行，再變頻器控制M2啟動調速；壓力上升到達上限，延時1 min水壓力還在上限，電機M1停止運行；當壓力下降至下限時，使電機M2頻率為50 Hz，延時2 min水壓力還在下限，把M2切換到工頻運行，再由變頻器控制M1啟動調速，如此反復使水壓恒定；（4）系統自動運行時，可用觸摸屏來控制啟動和停止，并能直接設置管道的壓力值。

確定控制方案：經過實際分析，采用一臺變頻器拖動2臺水泵運行。在需供水量增大的加泵過程中，變頻器驅動電機達到額定轉速時，由變頻器內部輸出繼電器動作作為一個控制信號將電機切換到工頻電網直接供電運行，然后變頻器再去啟動第二臺電機，為了以達到電機軟啟動降低損耗，PLC控制實現切換，需減少供水量的減泵時，由PLC直接停止工頻運行的電機就可以了。另外，試驗臺的MM440變頻器有ADC1、ADC2兩個模擬輸入端，ADC2接入反饋信號0～10 V，同時也把反饋信號送給S7-200的模擬輸入端，給定的PID目標值由ADC1端通過S7-200的模擬輸入端給定。經過分析，PLC分配I/O如表1所示

根據分配好的I/O口，學生就可以繪制硬件主電路原理圖。

編寫控制程序：根據I/O口的分配，學生就可按照程序流程圖設計→PLC梯形圖設計→觸摸屏TP170B界面設計完成軟件設計。

調試控制程序時，要完成PLC調試、變頻器調試和觸摸屏調試。調試PLC時，通過電腦在線監控和PLC的I/O狀態燈來直接觀察，為了節省時間，調試方便，可把定時器的設定值改小，PLC的模擬輸出可直接用電壓表觀察輸出結果，調試變頻器時，用小電機或無電機調試，用信號源代替給定目標值和反饋信號，也可以通過電位器模擬給定，觸摸屏的調試須鏈接PLC，觸摸屏的24 V直流電可直接由PLC的信號電源供給。

4 實驗項目驗收

PLC、變頻器、觸摸屏綜合實驗是我校機電專業、電氣專業教學中這幾年開設的及其重要的教學環節，涉及多門課程理論知識，有電力電子、傳感器、電機學、電氣控制、PLC技術等，側重于實踐工程的綜合運用。學生拿到實驗題目后，首先必須仔細閱讀實驗指導書，對設計的內容和要求有一個全面系統的了解，收集相關資料，然后按照指導書的步驟逐項進行，完成實驗。實驗做出來后，先有學生當場介紹匯報，然后由指導老師提問與實驗相關的問題，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節；PLC與變頻器的電路連接原理；PLC程序的控制流程；變頻器功能設置的關鍵參數；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；系統調試的要點；試驗系統的安裝及接線等幾個方面隨機提問。根據學生的匯報、完成的情況和指導老師提問，實驗成績分為優秀、良好、中等、及格和不及格5個級別，若發現別人代做，取消參加考核的資格。

5 結語

通過該試驗臺開發綜合性、創新性實驗項目，將這3種控制技術引入到實驗教學中，使學生在校期間就能把各種知識綜合運用，除了提高學生的控制工程素質，培養學生的分析、解決問題的能力，工程技術應用與創新的能力，還可以提高該校電氣工程、機電工程專業學生的就業競爭力，增強用人單位對該校學生的信任度，擴大影響力。

參考文獻

[1] 金英姬.基于PLC與觸摸屏實現液壓教學試驗臺控制系統的研究[J].教學與管理，2012，29（4）：151-154.

[2] 王曉紅，李欣.PLC-變頻器電機控制試驗臺的設計與實驗項目的開發[J].教育教學論壇，2015（37）：241-242.