“南粤杯”PLC 电机控制竞赛项目分析

刘晓玲，贾 磊

（1.黄河水利职业技术学院 河南 开封 475004）

0 引言

为了在各水利高职院校之间搭建相互交流的平台，展示近年来水利高职院校改革发展的丰硕成果，中国水利教育协会从2007 年开始举办全国水利高职院校技能竞赛。竞赛由中国水利教育协会主办、教育部水工专业教学指导委员会协办，旨在积极探索水利高技能人才培养的途径和方法，更好地为加强水利人才队伍建设服务。 PLC（可编程逻辑控制器）电机控制项目主要考核应用PLC 技术进行水利水电工程机电设备的自动控制、三相异步电机的控制，低压电器基本知识，PLC 的原理、结构类型的选择，I/O 点数分配、程序设计及外部接线方法等。

1 PLC 电机控制技术项目及控制要求和步骤

1.1 PLC 电机控制技术项目

用PLC 对抽水蓄能电站控制系统进行设计。 这个小型水电站的工作方式是：夜晚（用电低谷期）利用便宜的电能用水泵将水塘里的水抽到水库里，白天（用电高峰期）将水库闸门打开，水流流向水塘，带动叶轮机转动，水力发电机将水利的机械能转化为电能，进行发电，以调节谷峰用电的需求。 抽水蓄能电站如图1 所示。

1.2 PLC 电机控制技术项目的控制要求

抽水蓄能电站PLC 控制要求是用PLC 控制抽水蓄能电站的一个自动工作过程。 它包括以下几个步骤：

1)合上电源开关后，电源指示灯亮。

2）手动按下启动按钮SB，开始从水塘抽水至水库，且有运行工作状态指示，要求水泵电机M2 采用星三角降压方式启动。

图1 抽水蓄能电站模型示意图Fig. 1 Pumped-storage hydroelectricity model

3）当水库水位达到上限位时，水泵电机M1停止抽水。

4）在水位达到上限位的同时，闸门提升电机M2以低速n1正转，提升水库闸门，至闸门中限位时，转换为高速n2， 提升直到提升至闸门上限位时，M1停止。

5） 当水库水位降到下限位时，M1以速度n2反转，关闭水库闸门，至闸门下限位停止。

须在240 分钟内，准确完成功能，并达到工艺要求。

2 控制系统的硬件设计

电站PLC 控制系统的设计主要包括3 部分内容：水泵电机主电路设计，闸门升降电机控制回路设计和变频器参数选择。 本设计采用三菱FX2N-32MR 型号的PLC。 它是一种单元结构的小型PLC,编程方便，功能强大，体积小、重量轻，抗干扰能力强。 采用三菱FR-D740 变频器。

2.1 水泵电机控制主回路

主电路设计如图2 所示，其中M1 为水泵电机，选用三相鼠笼式异步电机，实现星三角降压启动。KM1、KM2接触器主触点闭合, 电机定子绕组接成星型接法进行降压启动。 待电机转速接近正常转速时，KM2主触点断开，KM1、KM3主触点闭合，电机定子绕组接成三角形，电机在全压下正常运行。

图2 水泵电机主电路图Fig.2 Water pump main circuit

2.2 闸门升降电机控制回路

闸门升降机自动控制系统主要由三菱PLC、三菱变频器、三相鼠笼式异步电机组成。 系统的硬件接线如图3 所示。 接线时要注意：变频器的R、S、T端接三相交流电源，U、V、W 端接电机，不能接错，否则将会损坏变频器[2]。

图3 闸门升降电机及I/O 端子接线图Fig.3 Gate lift motors and I/O terminal wiring scheme

在图3 中，一方面，PLC 控制代替继电器控制系统；另一方面，对于系统所要求的提升和下降，以及由限位开关获取闸门运行的位置信息，进行内部程序的处理，并在Y0～Y3端输出信号，控制变频器输入端子STF、STR、RH、RM 的状态，使变频器及时按要求输出相应的频率，从而控制闸门电机的运行速度[3]。 速度档由RH、RM 选择，每档速度的大小通过变频器进行设定， 再通过PLC 的程序控制频率切换。PLC 的I/O 分配功能如表1 所示。

表1 控制系统的I/O 端子分配表Table 1 I/O terminal distribution of control system

2.3 变频器主要功能指令设定

（1）设定Pr.79=3 时，组合操作模式有效。

（2）Pr 相关数值：上限频率Pr.1=50Hz；下限频率Pr.2=0Hz；基本频率Pr.3=50Hz；加速时间Pr.7=1s；减速时间Pr.8=1s；一速Pr.4=10Hz；二速Pr.5=30Hz。

3 PLC 控制系统程序设计

按照控制要求编写程序，要求梯形图中的逻辑元件与I/O 接线图一致（如图4 所示），否则执行程序时就会出错。

图4 控制系统程序设计Fig.4 Control system program design

根据所选用的PLC 型号进行编程，仿真运行无误后，把程序上传到PLC，按照图3 进行硬件接线。接线后进行调试。 在调试过程中，尤其要避免发生短路事故，通电前用万用表检查是否存在短路、断路、端子位置接错等常见故障，检测正确无误后，通入三相交流电源进行调试和运行，即按照控制要求按下启动按钮、位置开关、停止按钮等主令电器，看电机是否按要求工作。 所以，要实现控制要求，不仅要能进行正确的编程，而且要求系统硬件接线也准确无误，这样才能完成控制任务。

4 技能竞赛的作用

通过PLC 电机控制项目可以看出，竞赛对学生的理论知识和技能操作水平要求越来越高，竞赛的题目也越来越接近生产现场的实际情况。

4.1 提升学生的技能水平

为了提高参赛水平，指导教师要根据每次大赛的情况，将比赛的内容更好地融入平时的课程教学中，并将比赛要求加入课程标准中，讨论修改教学大纲，使学生的理论知识和实践水平更接近生产实际。 因此，技能竞赛也成为提高学生技能水平的有效手段，通过竞赛，提高了学生的实际动手能力，提升了职业教育的人才培养质量，使职业教育的培养方向更符合生产和服务第一线的实际。

4.2 促进了教学交流和改革

技能竞赛促进了院校之间的相互交流学习，为教学改革提供了思路。 不同院校学生通过相互了解、相互学习，看到了自己的不足，明确了今后的学习目标。 各参赛院校以大赛促技能，以大赛促教学。通过大赛，不仅学生受益匪浅，而且也使教师从中发现自己在以往教学中的不足。

4.3 促进了校企合作

技能大赛邀请较多的相关企业参与，评方来逢企业一线的专家、管理者和能工巧匠参与了从竞赛大纲的制定、竞赛题目的设计，到最后的评分的全过程。 从而有力地促进了学校与企业在 “订单”培养、设备共享、教学指导等方面进一步合作，使竞赛项目和内容更紧贴产业发展和生产实践。 学校以技能大赛为纽带，为行业企业深入参与职业教育的发展搭建了一个很好的平台，促进产教结合、校企一体深入发展。 在此基础上，技能大赛将密切跟踪行业企业生产实际，使职业院校和技能大赛的实习实训设备越来越能够与生产实际对接，在更高程度上做到“真刀真枪”，有力地解决教育与生产实际相脱离的问题。

5 结语

综上所述，“南粤杯”PLC 电机控制竞赛项目对于学生职业关键能力的提高、创新精神的培养发挥了重要作用，同时在推动教育教学改革、探索高技能人才的培养方面也起到了不可替代的作用，更有利于机电一体化技术专业人才培养目标的顺利实现。 参赛职业院校应当充分利用好这个平台，促进人才培养质量的提高。

[1] 吴丽. 电气控制与PLC 应用技术[M]. 机械工业出版社，2010:46-47.

[2] 郭艳萍.变频器应用技术[M]. 北京师范大学出版社，2009:95-97.

[3] 龚运新. 三菱PLC 实用技术教程[M]. 北京师范大学出版社，2007:145-147.