“電氣裝備控制”創新性實驗平臺構建

趙建勇，盧慧芬，潘再平

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

電氣裝備的計算機控制是當今工業控制發展的一個主流方向，該技術涵蓋了微電子、機械、信息、自動控制、傳感測試、電力電子等專業知識［1－3］，學習該課程能夠拓寬學生的專業知識面，提高綜合運行各學科知識的能力。所以浙江大學電氣學院為電氣工程及其自動化專業本科生開設了“電氣裝備的計算機控制技術”課程。該課程是一門理論與實踐相結合的專業課程，必須有相應的實驗平臺。一套符合學生實際需要且具有創新性開發功能的實驗平臺能夠使學生更加深入地理解其所學課程的理論知識，并且能提高學生的創新意識和綜合動手能力［4－6］。

創新實驗平臺分為多個掛箱，便于維護，同時也易于學生理解其結構原理。硬件模塊緊密結合學生所學理論知識，整個系統涵蓋了課程的主要內容，通過該實驗平臺可以對課堂所學的各個知識點有直觀的理解。實驗平臺的軟件部分則可以使學生充分發揮其想象力，通過編寫不同的程序來實現不同的功能。實驗平臺掛箱以及供電部分均設有保護裝置，具有較高的安全性，適合學生操作。

1 實驗平臺系統總體結構

實驗平臺系統結構如圖1所示。

圖1 實驗平臺系統結構框圖

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

該系統中，操作臺為人機交互界面，學生在操作臺編寫程序或加入相應的指令時，該指令由計算機CPU讀取后送到機箱中安裝的數據采集卡處理，然后經過D／A及D／O通道將模擬信號輸出到被控對象，執行機構根據指令的要求進行動作。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過A／D及D／I通道將數據送到采集卡，然后在人機交互界面顯示。根據學生編寫指令的不同，執行機構的動作以及返回的數據也都各不相同，因此可以實現多種控制功能。

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學生使用，所以選擇了三相異步電機作為控制對象。控制系統主要硬件包括PCI－1202數據采集卡、模擬輸入輸出端子板DB－1825、隔離數字量I／O端子板DB－16P、隔離數字量I／O端子板、DB－16R數據采集實驗箱、繼電接觸控制實驗掛箱、三相供電電源等。

PCI－1202數據采集卡見圖2。

圖2 PCI－1202數據采集卡

數據采集以傳感器、信號測量與處理、微型計算機等先進技術為基礎，實用型很強。通過對信號的測量（數據獲取）、處理、控制及管理，實現對生產過程的測、控、管自動化與一體化。在電氣裝備的計算機控制技術中具有十分重要的地位。

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

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和工業環境中常發生的共模電壓、地環流以及電壓尖峰。

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電壓信號會使對應的繼電器處于工作狀態。16個表明狀態的LED與16個繼電器一一對應，當它所對應的繼電器工作時，該LED就會發光。為了避免PC機電源過載，該卡還提供螺釘端子用于外接電源［8－9］。

數據采集實驗箱如圖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電流、電壓信號（0～±10V）［10］。

圖5 數據采集實驗箱

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）及對應的3對主觸點及4對輔助觸點，1個中間繼電器（直流24V）及對應的觸點，熱繼電器和時間繼電器各1個，還有3個按鈕開關及指示燈。

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均采用浙江大學電氣學院機電運動控制實驗室原有電機控制實驗平臺，該裝置已經長時間應用于學生實驗中，性能可靠穩定，安全性高，配合使用后更能保證新搭建平臺的安全性和穩定性。

3 實驗平臺軟件調試環境

該實驗平臺的人機交互部分采用了Borland C＋＋Builder。它是基于C＋＋語言的快速應用程序開發工具，是最先進的開發應用程序的組件思想和面向對象的高效語言C＋＋融合的產物。C＋＋Builder充分利用了已經發展成熟的Delphi的可視化組件庫（visual component library，VCL），吸 收 了 Borland C＋＋這個優秀編譯器的諸多優點，結合了先進的基于組件的程序設計技術，成熟的可視化組件庫和優秀編譯器、調試器。目前C＋＋Builder已經成為一個非常成熟的可視化應用程序開發工具，功能強大而且效率高［11］。其可視化界面如圖7所示。

圖7 C＋＋Builder組件界面

電氣工程專業學生均有過C＋＋或者C語言學習經歷，因此對于該軟件的使用能夠較快地掌握和應用。同時其可視化界面更加有利于人機交互，可以直觀地觀察計算機采集的各種電氣參數及波形，發送和接收指令快捷，符合電氣裝備計算機控制的基本要求。

4 實驗平臺應用說明

實驗平臺可以根據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，實現不同的功能。實驗系統基本硬件接線如圖8所示。

該平臺采用的PCI－1202數據采集卡自身帶有一個demo庫，學生首次實驗時可以在連接好基本硬件電路后先調用PCI－1202采集卡自帶的某個庫文件到C＋＋Builder［12］，對該程序編譯運行后即可實現平臺的簡單控制功能，如電機啟動、電機電壓電流信號單組采集等。通過該實驗使學生對該實驗平臺進行認識和學習。在后續實驗中便可以讓學生自主創新，根據自己設計的控制方案進行硬件或者軟件的設計，實現其預期的功能。

圖8 數據采集控制電路接線圖

5 結束語

“電氣裝備計算機控制”創新性實驗平臺的構建，豐富了“電氣裝備的計算機控制技術”課程的教學內容，使學生通過實驗對理論知識有了更深的理解，真正明白了計算機控制硬件、弱電控制強電的物理概念。同時該實驗平臺的靈活性為學生的創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行某些探索實驗。創新的實驗類似科研活動，更能調動學生的主動性和積極性，激發學生的科研興趣，對培養學生的工程實踐能力和科研素質具有較大的作用，所以該實驗平臺在實驗教學環節中的應用，對實驗教學改革具有很大的意義。

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