项目比较教学在变频器课程中的应用

◆郑剑 张澧生 张华

作者：郑剑，博士研究生，讲师、工程师，湖南机电职业技术学院电气工程学院，湖南大学电气与信息工程学院，研究方向为电气传动系统故障诊断与容错控制，从事电气自动化、机电一体化的教学科研与工程应用工作；张澧生、张华，湖南机电职业技术学院电气工程学院（410151）。

变频器是工业自动化领域的重要电气设备，随着技术的发展和价格的降低，其应用日益广泛。目前高职电气自动化技术、机电一体化技术、电机与电器（电力电器技术方向）等专业均将“变频器应用技术”列为核心课程，培养能力主要侧重于变频器的参数设置、外部控制电路的连接与调试[1]。变频器的外部控制端子有模拟端、数字端、通讯端三种。前两种是重点和经典教学内容[2]，第三种即变频器通讯控制，由于涉及的知识面与技能点较多，一直是教学难点，在以往教学中常常省略不讲或简单介绍一下，让学生知道有这么回事即可。

在工程与科研实践中深刻体会到，变频器通讯控制是调速电气传动系统发展的必然趋势。因此，为了让学生适应技术的发展趋势，课程教学中不应该回避这一教学难点。如何将教学难点化难为易，使学生理解并掌握变频器通讯控制的基本知识和技能？这是一直在思考与探索的问题。在教学实践中，综合变频器、可编程控制器（以下简称PLC）、单片机三门专业课程，设计开发两个基本教学项目，即PLC通过串口控制变频器、单片机通过串口控制变频器。在教学过程中采用比较教学法，将两个项目从硬件电路、参数设置、软件编程、安装调试等方面进行比较，取得较好的教学效果。

1 教学项目的设计

设计教学项目时，主要考虑三点原则[3]。

一是要有工程背景。项目教学内容来自工程实际中的成熟产品和常见任务；市场占有率不大或技术濒临淘汰的产品、上市不久的前沿概念产品一般不纳入教学内容。

二是要适合课堂教学。有的实际产品或任务可以直接在课堂上制作、训练，但也有很多并不适合在课堂直接教学，因此需要对实际产品或任务进行处理，“抓住主要矛盾，忽略次要矛盾”，设计开发出适合课堂教学和学生学情的典型项目、典型任务。

三是要有可比性。这是在设计教学项目时追求的一个特色，项目与项目之间力求“同中见异，异中见同”，具有可比性。这样在教学过程中可采用比较教学法，使学生更好地认识和把握事物的本质。

基于上述原则，设计两个具有可比性的教学项目：PLC通过串口控制变频器、单片机通过串口控制变频器。

项目一的教学装置如图1所示，变频器选用西门子MM420通用型，PLC选用西门子S7-200/CPU226，变频器的14、15号端子通过双绞线与PLC通讯口（RS485口）的第3针、第8针相连[4]。为了减轻变频器的干扰，将PLC的接地端用一根短而粗的电缆连接到变频器的接地端。为防止信号反射，工业环境下需要装设终端电阻、偏置电阻，课堂教学环境下为简单起见，可以不用这些电阻，并不影响通讯效果。为便于课堂教学，控制任务刚开始宜简不宜繁，因此采用两个按钮远程控制变频器的启动和停止。SB1、SB2是自复型按钮开关，按下SB1，变频器收到启动命令，输出频率由0 Hz斜坡上升至50 Hz，电机运行；按下SB2，变频器收到停止命令，输出频率由50 Hz斜坡下降至0 Hz，电机停止。电机铭牌数据为：额定功率60 W，额定电压380 V，额定电流0.35 A，额定频率50 Hz，额定转速1440 r/min。

图1 PLC通过串口控制变频器的硬件电路

项目二的教学装置如图2所示，变频器侧的主电路与图1相同，控制电路中用单片机替代PLC，选用AT89C51。由于变频器14、15号端子是RS485电平，而单片机10、11号引脚是TTL电平，因此两者之间需要电平转换，这里选用MAX485芯片[7]。MAX485的1、8号脚是信号传输端，需要连接两个120 Ω的电阻[5]。控制任务与项目一相同，K1是启动键，K2是停止键，都是自复型按键。

图2 单片机通过串口控制变频器的硬件电路

2 教学项目的比较

俄国教育家乌申斯基认为：“比较是一切理解和思维的基础，我们正是通过比较来了解世界上的一切。”在项目教学过程中，引入比较教学法，将后续项目与前导项目进行比较，找出异同，可以使学生原有的知识与技能更加深刻、牢固，新获得的知识与技能更加鲜明、准确。下面将两个项目从硬件电路、参数设置、软件编程、安装调试等方面进行比较。

硬件电路 变频器课程一般开设在PLC课程、单片机课程之后，有了前导课程的铺垫，面对教学装置，学生能够说出两个项目在硬件电路方面的异同。系统的主电路相同，控制电路有所不同，但控制任务相同。教学过程中教师可适时要求学生将PLC硬件方案改造成单片机硬件方案，并画出硬件接线图。

所有的西门子变频器都采用RS485硬件，可将RS485接口与RS232接口进行比较。通过比较，学生认识到，RS232既是电气标准又是物理标准，因此接口的引脚定义是全球统一的；而RS485仅是电气标准不是物理标准，因此接口的引脚定义不是统一的，各个厂家不尽相同。

参数设置 两个项目的变频器、电机、控制任务、通讯协议都相同，因此，MM420变频器的参数设置亦相同，见表1。表1中P2009～P2014是通讯参数，要求学生“知其然，知其所以然”。虽然P2009～P2014的设置值与缺省值基本相同，也要求学生动手设置一遍，调出参数号，更改设定值，回到缺省值，通过这样的操作达到“知其然”的目的。为了“知其所以然”，需要结合软件编程来理解。

软件编程 西门子变频器所采用的通用串行接口协议（简称USS协议）被学生称为“难点中的难点”，主要难在报文结构与数据含义。通过比较两个项目的软件编程，可以有效理解这一“难中之难”。

项目一在上位机中采用STEP7-Micro/Win（含USS指令库）编程软件，项目二采用Keil μVision编程软件，两个软件在前导课程中均已使用过。项目一用到USS_INIT和USS_CTRL两条USS协议指令，采用梯形图，具有面向对象的编程特点，程序中的波特率、变频器地址应与参数号P2010、P2011一致，PLC的梯形图程序详见附录1（略）。项目二则具有面向过程的编程特点，需要结合参数号P2012、P2013深入理解启动、停止变频器的报文数据，对于初学者有难度。单片机的程序框图如图3所示，详细的C语言源程序见附录2（略）。为了将教学难点分散，程序框图刚开始应尽量简单，因此没有检测变频器的应答报文，这些内容可以安排在拓展项目中进行。

表1 MM420变频器的参数设置

安装调试 系统在安装调试过程中的一般注意事项应严格按照厂家提供的技术文档，譬如变频器主线路的屏蔽层须两端都接地，控制线路的屏蔽层只能一端接地[4]。

变频器侧主电路属“强电”，若程序存在问题，容易造成设备损毁和人员伤害。因此在下载、运行程序前，要求必须认真全面检查程序，确定准确无误时才能运行程序，最好先进行通讯仿真。项目一的STEP7-Micro/Win软件不能仿真，可采用支持USS协议的S7-200仿真软件，这类软件目前市场有供。项目二的Keil μVision软件可以仿真调试。在软硬件联调时，两个项目都可用示波器观测变频器通讯端子的波形，以更好地通过比较来理解报文数据和检测故障[6]。

3 教学项目的拓展

上述两个教学项目的硬件电路与控制任务都较为简单，涉及变频器通讯控制的基本知识与技能，不妨称为基本项目。可将基本项目进行拓展，形成多个拓展项目。譬如，将单台变频器增加至两台，其他条件不变；将西门子变频器改成三菱变频器，相应地西门子PLC也改成三菱PLC，其他条件不变；控制任务不仅有电机的启保停，还有电机的正反转、加减速等。

拓展项目也可以实施比较教学，与基本项目进行比较。实践表明，在基本项目的基础上，适时适当地进行一些拓展项目的教学，很有好处。

1）学生在基本项目中涉及的基本知识与技能，在拓展项目中又会训练一遍。众所周知，职业技能的掌握需要“重复训练，刻意练习”。

2）拓展项目更接近工程实际，可以让学生零距离接触真实职业任务，提高专业综合应用能力。

3）拓展项目中的任务解决方案，没有唯一答案，“仁者见仁，智者见智”，有利于培养学生的创造性思维与创新精神，这一点对于基础较好、学有余力的学生而言，好处尤为明显。

经过笔者对“变频器应用技术”课程几轮的教学，将项目比较教学引入到理实一体化课堂教学中，取得良好的教学效果，学生能够较好地理解并掌握变频器通讯控制的基本知识和技能，并可进一步提高专业综合应用能力。教学实践表明，精细化设计项目教学内容、实施项目比较教学是高职专业课程的有效教学策略。■

[1]成立平.高职专业人才精细化培养研究[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]杨翠明,谢承力.机电类高职院校办学特色研究[J].教育与职业,2008(21):47-49.

[3]教育部职业教育与成人教育司.高等职业学校专业教学标准（试行）:制造大类[S].北京:中央广播电视大学出版社,2012.

[4]西门子（中国）有限公司.MICROMASTER 420通用型变频器用户手册[EB/OL].http://www.ad.siemens.com.cn/products/sd.

[5]谢芳芳,郑剑.高职电气自动化技术专业单片机课程教学改革探讨[J].中国电力教育,2014(15):58-60.

[6]郑剑,李中群,何怡刚.开关电源电容器的软故障特征参数提取与预测[J].计算机测量与控制,2014,22(2):329-331.