電氣控制與PLC技術(shù)教改實訓平臺設計

【摘""要】為響應我院培養(yǎng)應用型人才的辦學特色，提高電氣控制與PLC技術(shù)課程的教學效果，增強學生的實踐能力，文章將電力拖動與PLC技術(shù)有效地結(jié)合起來，設計了基于PLC的異步電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實訓平臺，給出了實訓平臺的硬件配置，并設計了整個控制系統(tǒng)的相關(guān)程序。

【關(guān)鍵詞】教改""PLC""異步電機""轉(zhuǎn)速閉環(huán)

【中圖分類號】G642.0"""""""【文獻標識碼】A"""""""""【文章編號】1674-4810（2015）16-0041-02

電氣控制與PLC技術(shù)是電氣工程及其自動化專業(yè)學生的一門主干課。該課程由繼電、接觸器控制系統(tǒng)應用基礎和PLC應用兩大部分組成。其最大特點是涉及的知識面較寬、技術(shù)進步快，既強調(diào)理論又偏重實踐，與生產(chǎn)實際結(jié)合緊密，是一門實踐性較強的專業(yè)課。為了讓學生更好地學習該門課程，本文設計了一套基于PLC的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實訓平臺，主要包括：PLC、觸摸屏、變頻器及電機機組等。通過該實訓平臺，可以使學生形象地理解PLC控制系統(tǒng)的組成及作用、了解運動控制系統(tǒng)的工藝，有助于提高PLC課程的教學效果，豐富學生的工程實踐經(jīng)驗。

一"系統(tǒng)設計

圖1為實訓平臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由計算機、S7-200"PLC、觸摸屏Smart700、變頻器MM420、電機機組（同軸相連的直流電機和異步電機）、可調(diào)功率電阻等組成，為一套異步電機轉(zhuǎn)速控制以及人機交互、帶反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

基于PLC的異步電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制思想

為：將碼盤采集到的電機實際轉(zhuǎn)速通過A/D模塊反饋給PLC，通過與Smart700的給定轉(zhuǎn)速進行比較，將轉(zhuǎn)速誤差信號輸出給PID環(huán)節(jié)做閉環(huán)處理，將PID環(huán)節(jié)運算后的結(jié)果通過D/A模塊輸出給變頻器，作為變頻器的轉(zhuǎn)速給定，從而控制電機實際轉(zhuǎn)速，使其等于給定轉(zhuǎn)速，達到異步電機轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)速的效果。

二"硬件設計

1.PLC配置

西門子S7-200系列PLC具有抗干擾能力強、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、指令集豐富、編程方便、維護方便等優(yōu)點，具有極高的性價比。故實訓平臺選用西門子CPU224XP"CN系列PLC，本身自帶兩路AD"輸入、一路DA輸出。為滿足實訓平臺后續(xù)功能的拓展，還配置一塊EM235模擬量輸入輸出模塊，可滿足實訓控制系統(tǒng)對信號轉(zhuǎn)換的要求。

2.觸摸屏配置

為實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)視和控制，實訓平臺選用西門子Smart700系列觸摸屏，其為西門子觸摸屏中的中低端產(chǎn)品，但性價比較高。適用于實驗室單機場合，可以實現(xiàn)與S7-200的簡單無縫連接。其組態(tài)基于軟件Wincc"Flexible"2008"sp2。該軟件具備功能完善、操作簡單、可視性好、可維護性強的突出特點。

3.變頻器配置

為實現(xiàn)對被控對象（異步電機）的變頻調(diào)速，實訓平臺選用西門子MM420系列變頻器。其為西門子變頻

*"中國礦業(yè)大學徐海學院教改項目

器中的小型產(chǎn)品，具有體積小、安裝方便、功能完善、控制精確、可靠性高等優(yōu)點，性價比較高，適用于小功率變頻調(diào)速場合。

4.電機機組配置

實訓平臺選用鼠籠式異步電機作為被控對象，同軸相連一個他勵直流電機，在直流電機電樞兩端接一個0～1kΩ的可調(diào)功率電阻，作為整個調(diào)速系統(tǒng)的負載。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，機組上還配置了一個碼盤，采集并向PLC反饋電機實際轉(zhuǎn)速。圖2為電機機組實物圖。

三"軟件設計

1.PLC程序設計

PLC程序流程如圖3所示。

實訓平臺采用PID算法對轉(zhuǎn)速實現(xiàn)閉環(huán)控制。PID控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

其中：R（s）、Y（s）、E（s）分別為控制器輸入（給定轉(zhuǎn)速）、輸出（實際轉(zhuǎn)速）、輸入與輸出（給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速）的差值，Kp、Ti、Td分別為控制器比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。

S7-200共支持8條PID回路。可通過自行配置PID回路表來直接調(diào)用PID功能指令，亦可通過S7-200自帶的PID向?qū)нM行調(diào)用。

2.觸摸屏程序設計

本實訓平臺采用Smart"700觸摸屏對異步電機調(diào)速系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制。利用Wincc"Flexible"2008"sp2組態(tài)軟件對用戶界面進行設計，如圖5所示。

四"結(jié)束語

實訓平臺很好地將電力拖動與PLC技術(shù)結(jié)合起來，可模擬工業(yè)過程控制工藝，使學生在完成課內(nèi)基礎實驗的基礎上，進一步加強對PLC知識的學習。同時，觸摸屏直觀顯示采集到的異步電機數(shù)據(jù)、實時曲線等，有助于增強學生學習的興趣，提高教學效果。

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〔責任編輯：林勁〕