一種自動化綜合實訓項目設計方案探索

[摘 要] 針對相關專業自動化綜合實訓，提出了一種可綜合多門專業課程的實訓項目設計方案。方案以PLC為控制器，電動機為被控對象，HMI設備用于參數設置，實現改進型PID算法，從而達到對轉速進行閉環控制的目的。調試結果表明，項目設計能夠達到預期效果，且綜合考慮實驗室設備現狀，為自動化綜合實訓提供了一個良好的解決方案。

[關 鍵 詞] 自動化綜合實訓；改進型PID算法；PLC

[中圖分類號] TP273 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）07-0100-02

一、引言

目前各地方二本院校大力推動應用型本科教學改革。學生在校期間多次參加生產見習、暑期見習，“卓越本科生”培養計劃等實踐教學活動的逐步推動，希望學生在畢業前能掌握本專業工程實踐基本技能。教師大力進行雙師型培訓，深入生產一線，推動教學改革，目的是希望教學內容能更加貼近生產實踐。為體現和驗證教學效果，針對某幾門課程進行綜合性實訓項目的設計變得尤為重要，甚至會影響到專業課程最終的教學效果。

地方二本院校在進行實驗室建設時，實驗實訓設備配套一般方案為：實驗設備臺套數多，掛箱多，主要針對專業基礎、專業必修等某門特定課程進行選配。實驗項目難度不大，項目較多，分組人數少，學生能在課程學習過程中進行探索和實驗。實訓設備臺套數較少，主要針對某幾門專業核心課程進行綜合訓練，難度較大，設備體積大、成本高。對實訓設備的操作需要使用者有安全操作意識、扎實的專業基礎以及較強的實踐動手能力，這樣直接導致分組人數多，只有少數人有機會直接操作實訓設備，實訓效果大打折扣。任課教師或實驗教學人員如能夠綜合多套實驗設備及掛箱功能，自行開發適應本校學生層次、教學狀況的綜合實訓項目，將大大提高設備使用率和使用效果。[1]

二、系統硬件解決方案

工業現場車床、傳送帶、風機無處不在，轉速是最常見的被控量，選擇三相異步電動機的轉速作為被控量形成閉環控制，能滿足實訓內容的廣泛性和典型性需要。本實訓系統由控制器、執行器、被控對象以及轉速反饋裝置組成。控制器選擇西門子S7-200系列224CN（DC/DC/RLY）基本模塊，搭配EM235模擬量輸入/輸出擴展模塊，輸出選擇電壓型單極性0V-10V。執行器選擇西門子420系列小功率變頻器，并工作于模擬量輸入調節頻率模式。被控對象選擇較小功率三相異步電動機，體積小、重量輕、安全。反饋裝置選擇常見1024線光電編碼器，連接PLC高速脈沖輸入端進行轉速反饋。HMI設備選擇MCGS7寸黑白觸摸屏，用于輸入各項控制參數，輸出相關波形。HMI設備與PLC通信采用RS232。本系統構成示意圖如圖1所示。[2]

三、系統軟件解決方案

PID控制從出現到廣泛應用已歷經多年，由于它算法經典，控制效果良好，具有一定的魯棒性，目前仍然廣泛應用在過程控制、機床控制等生產過程中。傳統PID算法由于各參數固定，在控制過程中不能修改，因此目前提出了大量改進型PID算法，如：比例可變，積分分離，帶死區的PID算法等，控制效果已經得到了廣泛的驗證。本實訓項目控制算法擬使用比例可變的PID算法實現。[3]

使用PID算法控制轉速時，比例越大，上升時間越短，快速性越好，但同時穩定性降低，超調量較大，調整時間較長。如果單純直接降低比例系數，雖然穩定性有所好轉，但快速性大打折扣。為了兼顧啟動過程中的快速性要求及啟動結束后穩定性的要求，希望比例系數可變。偏差較大時采用較大比例系數，偏差較小時采用較小比例系數，各參數均可根據經驗或多次試驗獲得。

實現比例可變的PID控制涉及PLC基本邏輯指令、算數運算指令、高速計數指令、定時中斷指令、PID指令等。PID程序的編寫可使用西門子PID指令，或PID配置向導。參數預調使用系統自帶參數配置工具，以減少參數調節工作量。人機交互使用常見實驗臺配套MCGS觸摸屏及其組態軟件，內容包含控制參數設置、給定、反饋顯示等。

實訓項目主體程序包含PID運算及偏差實時運算程序、PID系數賦值程序、高速計數器初始化程序和定時中斷轉速計算程序。

四、HMI監控界面

人機交互在實訓項目中起到參數輸入和結果輸出的重要作用。HMI界面包含按鈕輸入、數據輸入/顯示、數據輸出、文本信息以及趨勢圖。系統監控界面如圖2所示，輸入各項數據后，點擊啟動按鈕系統開始工作，可在右側趨勢圖中觀察實時轉速變化。當設置比例1和比例2參數相同時，系統等同于普通PID單閉環控制。當設置兩比例系數為不同值時，可通過合理設置分離值，構成比例可變的PID單閉環控制；不同分離值所得效果可直接體現在趨勢圖中，直觀，易于講解。

五、控制效果

控制系統轉速趨勢圖如圖3所示，圖a中為P1=0.8，P2=0.3，積分系數為0.05，=50；b中參數除外，其余參數與圖a設置相同，控制效果區別明顯；圖c，d中為P1=P2=0.3，設置無效時轉速趨勢圖，圖c為PI控制，圖d為P控制，能夠體現兩種控制的快速性、穩定性和準確性。從硬件到軟件，直至最終控制效果，經歷了一套完整的系統設計、程序編寫、結果論證的過程，能夠滿足一般本科院校相關專業對自動化綜合實訓的要求。

六、結束語

實訓方案綜合考慮PLC控制器、HMI設備、上位機、模擬量控制、改進型PID算法等內容，從硬件到軟件，直至最終控制效果，經歷了一套完整的系統設計、程序編寫、結果論證的過程，能夠滿足一般本科院校相關專業對自動化綜合實訓的要求。

本方案除能夠實現比例可變的PID算法外，如將監控界面兩比例系數設置為相同，系統即可實現常規P、PI、PD、PID控制，無需改動程序。如需控制不同被控對象（如溫度），只需改動輸入/輸出部分硬件、軟件和趨勢圖輸出范圍，適應性強。本項目既可作為高年級綜合實訓項目，也可用于低年級教學演示，應用范圍廣泛，具備較強的推廣價值。后續可在本項目基礎上，探討比例1、比例2以及分離值的自適應設置，可向高級自動控制算法方向發展。

參考文獻：

[1]李春燕.高校分類應從“本科教學工程”抓起：兼論應用型本科的“本科教學工程”建設[J].海南師范大學學報（自然科學版），2014.

[2]石淮.西門子S7-200PLC模擬量輸入處理方法的應用研究[J].中國高新技術企業（中旬刊），2012.

[3]朱盈，朱俊.多種PID控制及其仿真比較[J].工業控制計算機，2010.