項(xiàng)目比較教學(xué)在變頻器課程中的應(yīng)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(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)控制，從事電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化的教學(xué)科研與工程應(yīng)用工作；張澧生、張華，湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院（410151）。

變頻器是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的重要電氣設(shè)備，隨著技術(shù)的發(fā)展和價(jià)格的降低，其應(yīng)用日益廣泛。目前高職電氣自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、電機(jī)與電器（電力電器技術(shù)方向）等專業(yè)均將“變頻器應(yīng)用技術(shù)”列為核心課程，培養(yǎng)能力主要側(cè)重于變頻器的參數(shù)設(shè)置、外部控制電路的連接與調(diào)試[1]。變頻器的外部控制端子有模擬端、數(shù)字端、通訊端三種。前兩種是重點(diǎn)和經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容[2]，第三種即變頻器通訊控制，由于涉及的知識(shí)面與技能點(diǎn)較多，一直是教學(xué)難點(diǎn)，在以往教學(xué)中常常省略不講或簡單介紹一下，讓學(xué)生知道有這么回事即可。

在工程與科研實(shí)踐中深刻體會(huì)到，變頻器通訊控制是調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。因此，為了讓學(xué)生適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，課程教學(xué)中不應(yīng)該回避這一教學(xué)難點(diǎn)。如何將教學(xué)難點(diǎn)化難為易，使學(xué)生理解并掌握變頻器通訊控制的基本知識(shí)和技能？這是一直在思考與探索的問題。在教學(xué)實(shí)踐中，綜合變頻器、可編程控制器（以下簡稱PLC）、單片機(jī)三門專業(yè)課程，設(shè)計(jì)開發(fā)兩個(gè)基本教學(xué)項(xiàng)目，即PLC通過串口控制變頻器、單片機(jī)通過串口控制變頻器。在教學(xué)過程中采用比較教學(xué)法，將兩個(gè)項(xiàng)目從硬件電路、參數(shù)設(shè)置、軟件編程、安裝調(diào)試等方面進(jìn)行比較，取得較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目時(shí)，主要考慮三點(diǎn)原則[3]。

一是要有工程背景。項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容來自工程實(shí)際中的成熟產(chǎn)品和常見任務(wù)；市場占有率不大或技術(shù)瀕臨淘汰的產(chǎn)品、上市不久的前沿概念產(chǎn)品一般不納入教學(xué)內(nèi)容。

二是要適合課堂教學(xué)。有的實(shí)際產(chǎn)品或任務(wù)可以直接在課堂上制作、訓(xùn)練，但也有很多并不適合在課堂直接教學(xué)，因此需要對實(shí)際產(chǎn)品或任務(wù)進(jìn)行處理，“抓住主要矛盾，忽略次要矛盾”，設(shè)計(jì)開發(fā)出適合課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)情的典型項(xiàng)目、典型任務(wù)。

三是要有可比性。這是在設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目時(shí)追求的一個(gè)特色，項(xiàng)目與項(xiàng)目之間力求“同中見異，異中見同”，具有可比性。這樣在教學(xué)過程中可采用比較教學(xué)法，使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)和把握事物的本質(zhì)。

基于上述原則，設(shè)計(jì)兩個(gè)具有可比性的教學(xué)項(xiàng)目：PLC通過串口控制變頻器、單片機(jī)通過串口控制變頻器。

項(xiàng)目一的教學(xué)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(hào)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(hào)反射，工業(yè)環(huán)境下需要裝設(shè)終端電阻、偏置電阻，課堂教學(xué)環(huán)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(xué)，控制任務(wù)剛開始宜簡不宜繁，因此采用兩個(gè)按鈕遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)和停止。SB1、SB2是自復(fù)型按鈕開關(guān)，按下SB1，變頻器收到啟動(dòng)命令，輸出頻率由0 Hz斜坡上升至50 Hz，電機(jī)運(yùn)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(jī)停止。電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速1440 r/min。

圖1 PLC通過串口控制變頻器的硬件電路

項(xiàng)目二的教學(xué)裝置如圖2所示，變頻器側(cè)的主電路與圖1相同，控制電路中用單片機(jī)替代PLC，選用AT89C51。由于變頻器14、15號(hào)端子是RS485電平，而單片機(jī)10、11號(hào)引腳是TTL電平，因此兩者之間需要電平轉(zhuǎn)換，這里選用MAX485芯片[7]。MAX485的1、8號(hào)腳是信號(hào)傳輸端，需要連接兩個(gè)120 Ω的電阻[5]。控制任務(wù)與項(xiàng)目一相同，K1是啟動(dòng)鍵，K2是停止鍵，都是自復(fù)型按鍵。

圖2 單片機(jī)通過串口控制變頻器的硬件電路

2 教學(xué)項(xiàng)目的比較

俄國教育家烏申斯基認(rèn)為：“比較是一切理解和思維的基礎(chǔ)，我們正是通過比較來了解世界上的一切。”在項(xiàng)目教學(xué)過程中，引入比較教學(xué)法，將后續(xù)項(xiàng)目與前導(dǎo)項(xiàng)目進(jìn)行比較，找出異同，可以使學(xué)生原有的知識(shí)與技能更加深刻、牢固，新獲得的知識(shí)與技能更加鮮明、準(zhǔn)確。下面將兩個(gè)項(xiàng)目從硬件電路、參數(shù)設(shè)置、軟件編程、安裝調(diào)試等方面進(jìn)行比較。

硬件電路 變頻器課程一般開設(shè)在PLC課程、單片機(jī)課程之后，有了前導(dǎo)課程的鋪墊，面對教學(xué)裝置，學(xué)生能夠說出兩個(gè)項(xiàng)目在硬件電路方面的異同。系統(tǒng)的主電路相同，控制電路有所不同，但控制任務(wù)相同。教學(xué)過程中教師可適時(shí)要求學(xué)生將PLC硬件方案改造成單片機(jī)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(jìn)行比較。通過比較，學(xué)生認(rèn)識(shí)到，RS232既是電氣標(biāo)準(zhǔn)又是物理標(biāo)準(zhǔn)，因此接口的引腳定義是全球統(tǒng)一的；而RS485僅是電氣標(biāo)準(zhǔn)不是物理標(biāo)準(zhǔn)，因此接口的引腳定義不是統(tǒng)一的，各個(gè)廠家不盡相同。

參數(shù)設(shè)置 兩個(gè)項(xiàng)目的變頻器、電機(jī)、控制任務(wù)、通訊協(xié)議都相同，因此，MM420變頻器的參數(shù)設(shè)置亦相同，見表1。表1中P2009～P2014是通訊參數(shù)，要求學(xué)生“知其然，知其所以然”。雖然P2009～P2014的設(shè)置值與缺省值基本相同，也要求學(xué)生動(dòng)手設(shè)置一遍，調(diào)出參數(shù)號(hào)，更改設(shè)定值，回到缺省值，通過這樣的操作達(dá)到“知其然”的目的。為了“知其所以然”，需要結(jié)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(xié)議（簡稱USS協(xié)議）被學(xué)生稱為“難點(diǎn)中的難點(diǎn)”，主要難在報(bào)文結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)含義。通過比較兩個(gè)項(xiàng)目的軟件編程，可以有效理解這一“難中之難”。

項(xiàng)目一在上位機(jī)中采用STEP7-Micro/Win（含USS指令庫）編程軟件，項(xiàng)目二采用Keil μVision編程軟件，兩個(gè)軟件在前導(dǎo)課程中均已使用過。項(xiàng)目一用到USS_INIT和USS_CTRL兩條USS協(xié)議指令，采用梯形圖，具有面向?qū)ο蟮木幊烫攸c(diǎn)，程序中的波特率、變頻器地址應(yīng)與參數(shù)號(hào)P2010、P2011一致，PLC的梯形圖程序詳見附錄1（略）。項(xiàng)目二則具有面向過程的編程特點(diǎn)，需要結(jié)合參數(shù)號(hào)P2012、P2013深入理解啟動(dòng)、停止變頻器的報(bào)文數(shù)據(jù)，對于初學(xué)者有難度。單片機(jī)的程序框圖如圖3所示，詳細(xì)的C語言源程序見附錄2（略）。為了將教學(xué)難點(diǎn)分散，程序框圖剛開始應(yīng)盡量簡單，因此沒有檢測變頻器的應(yīng)答報(bào)文，這些內(nèi)容可以安排在拓展項(xiàng)目中進(jìn)行。

表1 MM420變頻器的參數(shù)設(shè)置

安裝調(diào)試 系統(tǒng)在安裝調(diào)試過程中的一般注意事項(xiàng)應(yīng)嚴(yán)格按照廠家提供的技術(shù)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(cè)主電路屬“強(qiáng)電”，若程序存在問題，容易造成設(shè)備損毀和人員傷害。因此在下載、運(yùn)行程序前，要求必須認(rèn)真全面檢查程序，確定準(zhǔn)確無誤時(shí)才能運(yùn)行程序，最好先進(jìn)行通訊仿真。項(xiàng)目一的STEP7-Micro/Win軟件不能仿真，可采用支持USS協(xié)議的S7-200仿真軟件，這類軟件目前市場有供。項(xiàng)目二的Keil μVision軟件可以仿真調(diào)試。在軟硬件聯(lián)調(diào)時(shí)，兩個(gè)項(xiàng)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(bào)文數(shù)據(jù)和檢測故障[6]。

3 教學(xué)項(xiàng)目的拓展

上述兩個(gè)教學(xué)項(xiàng)目的硬件電路與控制任務(wù)都較為簡單，涉及變頻器通訊控制的基本知識(shí)與技能，不妨稱為基本項(xiàng)目。可將基本項(xiàng)目進(jìn)行拓展，形成多個(gè)拓展項(xiàng)目。譬如，將單臺(tái)變頻器增加至兩臺(tái)，其他條件不變；將西門子變頻器改成三菱變頻器，相應(yīng)地西門子PLC也改成三菱PLC，其他條件不變；控制任務(wù)不僅有電機(jī)的啟保停，還有電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速等。

拓展項(xiàng)目也可以實(shí)施比較教學(xué)，與基本項(xiàng)目進(jìn)行比較。實(shí)踐表明，在基本項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，適時(shí)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行一些拓展項(xiàng)目的教學(xué)，很有好處。

1）學(xué)生在基本項(xiàng)目中涉及的基本知識(shí)與技能，在拓展項(xiàng)目中又會(huì)訓(xùn)練一遍。眾所周知，職業(yè)技能的掌握需要“重復(fù)訓(xùn)練，刻意練習(xí)”。

2）拓展項(xiàng)目更接近工程實(shí)際，可以讓學(xué)生零距離接觸真實(shí)職業(yè)任務(wù)，提高專業(yè)綜合應(yīng)用能力。

3）拓展項(xiàng)目中的任務(wù)解決方案，沒有唯一答案，“仁者見仁，智者見智”，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維與創(chuàng)新精神，這一點(diǎn)對于基礎(chǔ)較好、學(xué)有余力的學(xué)生而言，好處尤為明顯。

經(jīng)過筆者對“變頻器應(yīng)用技術(shù)”課程幾輪的教學(xué)，將項(xiàng)目比較教學(xué)引入到理實(shí)一體化課堂教學(xué)中，取得良好的教學(xué)效果，學(xué)生能夠較好地理解并掌握變頻器通訊控制的基本知識(shí)和技能，并可進(jìn)一步提高專業(yè)綜合應(yīng)用能力。教學(xué)實(shí)踐表明，精細(xì)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施項(xiàng)目比較教學(xué)是高職專業(yè)課程的有效教學(xué)策略。■

[1]成立平.高職專業(yè)人才精細(xì)化培養(yǎng)研究[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

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

[3]教育部職業(yè)教育與成人教育司.高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（試行）:制造大類[S].北京:中央廣播電視大學(xué)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(dòng)化技術(shù)專業(yè)單片機(jī)課程教學(xué)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(guān)電源電容器的軟故障特征參數(shù)提取與預(yù)測[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2014,22(2):329-331.