淺談技工院校中PLC與變頻器的綜合教學(xué)

李靜

摘 要：隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高，越來越多的大中型企業(yè)利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)工作。為了讓技工院校學(xué)生實(shí)習(xí)后能更好地適應(yīng)企業(yè)。結(jié)合技工院校中學(xué)生的實(shí)際情況，主要從提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性出發(fā)，達(dá)到學(xué)做合一的目的。以日常生活中的恒壓供水為例，討論在PLC與變頻器相結(jié)合的綜合教學(xué)中采用的教學(xué)方法，為學(xué)生步入社會(huì)、走向工作崗位打好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PLC可編程控制器；變頻器；恒壓供水

一、創(chuàng)設(shè)情境，任務(wù)描述

某居民小區(qū)為了實(shí)現(xiàn)恒壓供水，應(yīng)用壓力開關(guān)根據(jù)管內(nèi)壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的運(yùn)行速度的控制，當(dāng)壓力增大（用水量小）到上限壓力時(shí)，減小泵的速度；當(dāng)壓力減小（用水量大）到下限壓力時(shí)，提高泵的速度，從而實(shí)現(xiàn)管內(nèi)壓力的恒定。

接到任務(wù)后，教師根據(jù)班級(jí)人數(shù)及實(shí)訓(xùn)條件將學(xué)生分為若干小組，并指定組長(zhǎng)。由各組組長(zhǎng)進(jìn)行組內(nèi)成員分工，準(zhǔn)備相關(guān)設(shè)備、工具及材料。教師帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)安全操作規(guī)程、隔離方法以及安裝工藝要求；學(xué)習(xí)變頻器調(diào)速的原理、恒壓供水系統(tǒng)的組成與原理。采用小組討論的方式，制訂設(shè)計(jì)方案；對(duì)結(jié)果進(jìn)行表述與展示。師生共同討論，并最終作出決策。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=60f（1-s）/p；

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為：S=（n1-n）/n*100%；

異步電機(jī)的同步速度為：n1=60f/p；

其中：n1為異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速；n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f是異步電機(jī)的定子電源頻率；p為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

從上式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通基本不變。其關(guān)系為：U1/f=常數(shù)。（式中：U1——變頻器輸出電壓，f——變頻器輸出頻率）

變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)的一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

二、變頻器的參數(shù)設(shè)定

教師給出運(yùn)行曲線圖，并由各小組在規(guī)定時(shí)間內(nèi)根據(jù)任務(wù)要求，以各種流程圖的形式設(shè)定變頻器的運(yùn)行參數(shù)以及基本參數(shù)，并上臺(tái)展示；最終師生共同探討出結(jié)論。變頻器的運(yùn)行頻率7個(gè)：15 HZ、25 HZ、30 HZ、35 HZ、40 HZ、45 HZ、50 HZ和基本參數(shù)12個(gè)：轉(zhuǎn)矩提升4%、上限頻率50 HZ、下限頻率5 HZ、基底頻率50 HZ、加速時(shí)間3 s、減速時(shí)間4 s、電子過流保護(hù)3 A、啟動(dòng)頻率8 HZ、加減速參考頻率50 HZ、時(shí)間單位秒2、逆轉(zhuǎn)防已選擇1、操作模式選擇3。

在恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50 HZ時(shí)進(jìn)行。50 HZ就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)50 HZ時(shí)，即使實(shí)際的供水壓力低于設(shè)定壓力，也不能增加變頻器的輸出頻率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率下降到某一個(gè)值（5 HZ）時(shí)，實(shí)際的供水壓力不會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率（5 HZ）就是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的下限頻率。

三、用PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)要求，各小組共同探討輸入/輸出分配表，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，對(duì)落后的學(xué)生給予鼓勵(lì)和幫助。最后師生共同探討出結(jié)論：控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止需要2個(gè)輸入點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測(cè)信號(hào)（下限壓力和上限壓力）占用PLC的2個(gè)輸入點(diǎn)，共需4個(gè)輸入點(diǎn)。水泵電機(jī)M，可以實(shí)現(xiàn)七種速度變頻運(yùn)行，也可以工頻運(yùn)行，需PLC的3個(gè)輸出點(diǎn)，控制變頻器使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行需要1個(gè)輸出點(diǎn)，共需要4個(gè)輸出點(diǎn)。系統(tǒng)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量共為8個(gè)點(diǎn)。對(duì)恒壓供水系統(tǒng)的基本要求如下：

（1）要有完善的保護(hù)功能。

（2）PLC程序設(shè)計(jì)要滿足恒壓供水系統(tǒng)任務(wù)的要求。

（3）避免水泵電機(jī)工作時(shí)間過長(zhǎng)。

四、評(píng)價(jià)反饋

此環(huán)節(jié)分為自我評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)三部分。通過互相評(píng)價(jià)，學(xué)生能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短、互相學(xué)習(xí)、共同進(jìn)步，增加成就感和進(jìn)取心。

教師應(yīng)致力于營(yíng)造生動(dòng)活潑的教學(xué)氛圍，引導(dǎo)學(xué)生積極思考和探究，并以創(chuàng)新精神去理解和運(yùn)用知識(shí)；課堂上堅(jiān)持以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的原則，適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生積極參與教學(xué)過程，在此過程中發(fā)現(xiàn)和理解知識(shí)；注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；利用學(xué)生“好動(dòng)、好奇”的特點(diǎn)，從學(xué)生熟悉的生活情境和感興趣的事物出發(fā)，提供觀察和操作的機(jī)會(huì)，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺能動(dòng)性，讓學(xué)生在操作中獲得正確的認(rèn)知，為學(xué)生走向社會(huì)，更快、更好地適應(yīng)工作打好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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