浅谈技工院校中PLC与变频器的综合教学

李静

摘 要：随着我国人民生活水平的不断提高，越来越多的大中型企业利用先进的自动化技术进行生产工作。为了让技工院校学生实习后能更好地适应企业。结合技工院校中学生的实际情况，主要从提高学生的学习兴趣、调动学生的积极性出发，达到学做合一的目的。以日常生活中的恒压供水为例，讨论在PLC与变频器相结合的综合教学中采用的教学方法，为学生步入社会、走向工作岗位打好基础。

关键词：PLC可编程控制器；变频器；恒压供水

一、创设情境，任务描述

某居民小区为了实现恒压供水，应用压力开关根据管内压力实现对泵的运行速度的控制，当压力增大（用水量小）到上限压力时，减小泵的速度；当压力减小（用水量大）到下限压力时，提高泵的速度，从而实现管内压力的恒定。

接到任务后，教师根据班级人数及实训条件将学生分为若干小组，并指定组长。由各组组长进行组内成员分工，准备相关设备、工具及材料。教师带领学生学习安全操作规程、隔离方法以及安装工艺要求；学习变频器调速的原理、恒压供水系统的组成与原理。采用小组讨论的方式，制订设计方案；对结果进行表述与展示。师生共同讨论，并最终作出决策。

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

异步电机的转速为：n=60f（1-s）/p；

异步电机的转差率定义为：S=（n1-n）/n*100%；

异步电机的同步速度为：n1=60f/p；

其中：n1为异步电机的理想空载转速；n为异步电机转子转速；f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。

从上式可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式。在改变输出频率的同时也改變输出电压，以保证电机磁通基本不变。其关系为：U1/f=常数。（式中：U1——变频器输出电压，f——变频器输出频率）

变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点。因此，变频调速是交流异步电机的一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电动机的调速。

二、变频器的参数设定

教师给出运行曲线图，并由各小组在规定时间内根据任务要求，以各种流程图的形式设定变频器的运行参数以及基本参数，并上台展示；最终师生共同探讨出结论。变频器的运行频率7个：15 HZ、25 HZ、30 HZ、35 HZ、40 HZ、45 HZ、50 HZ和基本参数12个：转矩提升4%、上限频率50 HZ、下限频率5 HZ、基底频率50 HZ、加速时间3 s、减速时间4 s、电子过流保护3 A、启动频率8 HZ、加减速参考频率50 HZ、时间单位秒2、逆转防已选择1、操作模式选择3。

在恒压供水系统中，变频器频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50 HZ时进行。50 HZ就成为变频器频率调节的上限频率。当变频器的输出频率已经到达50 HZ时，即使实际的供水压力低于设定压力，也不能增加变频器的输出频率。当电动机运行频率下降到某一个值（5 HZ）时，实际的供水压力不会随着电动机频率的下降而下降。这个频率（5 HZ）就是电动机运行的下限频率。

三、用PLC实现恒压供水系统设计

根据任务要求，各小组共同探讨输入/输出分配表，教师进行适当的引导，对落后的学生给予鼓励和帮助。最后师生共同探讨出结论：控制电动机的启动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号（下限压力和上限压力）占用PLC的2个输入点，共需4个输入点。水泵电机M，可以实现七种速度变频运行，也可以工频运行，需PLC的3个输出点，控制变频器使电动机正转运行需要1个输出点，共需要4个输出点。系统所需的输入/输出点数量共为8个点。对恒压供水系统的基本要求如下：

（1）要有完善的保护功能。

（2）PLC程序设计要满足恒压供水系统任务的要求。

（3）避免水泵电机工作时间过长。

四、评价反馈

此环节分为自我评价、小组评价和教师评价三部分。通过互相评价，学生能够取长补短、互相学习、共同进步，增加成就感和进取心。

教师应致力于营造生动活泼的教学氛围，引导学生积极思考和探究，并以创新精神去理解和运用知识；课堂上坚持以学生为主体、教师为主导的原则，适时引导学生积极参与教学过程，在此过程中发现和理解知识；注重激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性；利用学生“好动、好奇”的特点，从学生熟悉的生活情境和感兴趣的事物出发，提供观察和操作的机会，充分发挥学生学习的自觉能动性，让学生在操作中获得正确的认知，为学生走向社会，更快、更好地适应工作打好基础。

参考文献：

[1]徐铁.PLC应用技术.中国劳动和社会保障出版社，2007-08.

[2]战丽红.变频技术及变频器刍议[J].现代制造，2011.