電氣控制與PLC技術(shù)教改實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)

1、電氣控制與PLC技術(shù)教改實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)【摘 要】為響應(yīng)我院培養(yǎng)應(yīng)用型人才的辦學(xué)特色， 提高電氣控制與 PLC技術(shù)課程的教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐 能力，文章將電力拖動與PLC技術(shù)有效地結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了基于PLC的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)訓(xùn)平臺，給出了實(shí)訓(xùn)平 臺的硬件配置，并設(shè)計(jì)了整個控制系統(tǒng)的相關(guān)程序?！娟P(guān)鍵詞】教改 PLC 異步電機(jī) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)【中圖分類號】 G642.0【文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)生的 一門主干課。該課程由繼電、 接觸器控制系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)和 PLC 應(yīng)用兩大部分組成。其最大特點(diǎn)是涉及

2、的知識面較寬、技術(shù) 進(jìn)步快，既強(qiáng)調(diào)理論又偏重實(shí)踐，與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密，是 一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課。為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)該門課程， 本文設(shè)計(jì)了一套基于 PLC的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)訓(xùn)平臺，主要包 括：PLC觸摸屏、變頻器及電機(jī)機(jī)組等。通過該實(shí)訓(xùn)平臺，可以使學(xué)生形象地理解 PLC控制系統(tǒng)的組成及作用、了解運(yùn) 動控制系統(tǒng)的工藝，有助于提高PLC課程的教學(xué)效果，豐富學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 1 為實(shí)訓(xùn)平臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、S7-200 PLG觸摸屏Smart700、變頻器MM420、電機(jī)機(jī)組（同 軸相連的直流電機(jī)和異步電機(jī)） 、可調(diào)功率電阻等組成，為 一套異步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及人機(jī)交互

3、、帶反饋的閉環(huán)控制系 統(tǒng)。基于PLC的異步電機(jī)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(jī)實(shí)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(jìn)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(yùn)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(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，使其等于給定轉(zhuǎn)速，達(dá)到異步電機(jī)轉(zhuǎn)速無 靜差調(diào)速的效果。二 硬件設(shè)計(jì)1. PLC配置西門子S7-200系列PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、 結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)、指令集豐富、編程方便、維護(hù)方便等 優(yōu)點(diǎn)，具有極高的性價(jià)比。 故實(shí)訓(xùn)平臺選用西門子 CPU224XP CN系列PLC

4、，本身自帶兩路 AD輸入、一路DA輸出。為滿 足實(shí)訓(xùn)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(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)對信號轉(zhuǎn)換的要求。2. 觸摸屏配置為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)視和控制，實(shí)訓(xùn)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(jià)比較高。適用于實(shí)驗(yàn)室單機(jī)場合，可以實(shí)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(hù)性強(qiáng)的 突出特點(diǎn)。3. 變頻器配置 為實(shí)現(xiàn)對被控對象（異步電機(jī)）的變頻調(diào)速，實(shí)訓(xùn)平臺 選用西門子 MM420 系列變頻器。其為西門

5、子變頻* 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院教改項(xiàng)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(diǎn)，性價(jià)比較高，適用于小功率變 頻調(diào)速場合。4. 電機(jī)機(jī)組配置 實(shí)訓(xùn)平臺選用鼠籠式異步電機(jī)作為被控對象，同軸相連 一個他勵直流電機(jī)，在直流電機(jī)電樞兩端接一個01k Q的可調(diào)功率電阻，作為整個調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán) 控制，機(jī)組上還配置了一個碼盤，采集并向PLC反饋電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。圖 2 為電機(jī)機(jī)組實(shí)物圖。三 軟件設(shè)計(jì)1. PLC程序設(shè)計(jì)PLC程序流程如圖3所示。實(shí)訓(xùn)平臺采用PID算法對轉(zhuǎn)速實(shí)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）

6、分別為控制器輸入（給定 轉(zhuǎn)速）、輸出（實(shí)際轉(zhuǎn)速） 、輸入與輸出（給定轉(zhuǎn)速與實(shí)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 導(dǎo)進(jìn)行調(diào)用。2. 觸摸屏程序設(shè)計(jì)本實(shí)訓(xùn)平臺采用 Smart 700 觸摸屏對異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 進(jìn)行監(jiān)視和控制。 利用 Wincc Flexible 2008 sp2 組態(tài)軟件對用 戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖 5 所示。四 結(jié)束語實(shí)訓(xùn)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(xué)生在完成課內(nèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步加強(qiáng)對PLC知識的學(xué)習(xí)。同時，觸摸屏直觀顯示采集 到的異步電機(jī)數(shù)據(jù)、實(shí)時曲線等，有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興 趣，提高教學(xué)效果。參考文獻(xiàn)1 王永華編著.現(xiàn)代電氣控制及 PLC應(yīng)用技術(shù)（第2版）M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 20082 趙嵬、湯嘉立、郎文林 .西門子 S7-200/300 系列 PLC3 西門子（中國）公司自動化驅(qū)動集團(tuán) .深入淺出西門子S7-200 PLCM北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20074 胡壽松主編 .自動控制原理簡明教程（第二版）M.北京：科學(xué)出版社， 20085 王兆安、劉進(jìn)軍主編 .電力電子技術(shù) M. 北京：機(jī)械