一种自动化综合实训项目设计方案探索

[摘 要] 针对相关专业自动化综合实训，提出了一种可综合多门专业课程的实训项目设计方案。方案以PLC为控制器，电动机为被控对象，HMI设备用于参数设置，实现改进型PID算法，从而达到对转速进行闭环控制的目的。调试结果表明，项目设计能够达到预期效果，且综合考虑实验室设备现状，为自动化综合实训提供了一个良好的解决方案。

[关 键 词] 自动化综合实训；改进型PID算法；PLC

[中图分类号] TP273 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）07-0100-02

一、引言

目前各地方二本院校大力推动应用型本科教学改革。学生在校期间多次参加生产见习、暑期见习，“卓越本科生”培养计划等实践教学活动的逐步推动，希望学生在毕业前能掌握本专业工程实践基本技能。教师大力进行双师型培训，深入生产一线，推动教学改革，目的是希望教学内容能更加贴近生产实践。为体现和验证教学效果，针对某几门课程进行综合性实训项目的设计变得尤为重要，甚至会影响到专业课程最终的教学效果。

地方二本院校在进行实验室建设时，实验实训设备配套一般方案为：实验设备台套数多，挂箱多，主要针对专业基础、专业必修等某门特定课程进行选配。实验项目难度不大，项目较多，分组人数少，学生能在课程学习过程中进行探索和实验。实训设备台套数较少，主要针对某几门专业核心课程进行综合训练，难度较大，设备体积大、成本高。对实训设备的操作需要使用者有安全操作意识、扎实的专业基础以及较强的实践动手能力，这样直接导致分组人数多，只有少数人有机会直接操作实训设备，实训效果大打折扣。任课教师或实验教学人员如能够综合多套实验设备及挂箱功能，自行开发适应本校学生层次、教学状况的综合实训项目，将大大提高设备使用率和使用效果。[1]

二、系统硬件解决方案

工业现场车床、传送带、风机无处不在，转速是最常见的被控量，选择三相异步电动机的转速作为被控量形成闭环控制，能满足实训内容的广泛性和典型性需要。本实训系统由控制器、执行器、被控对象以及转速反馈装置组成。控制器选择西门子S7-200系列224CN（DC/DC/RLY）基本模块，搭配EM235模拟量输入/输出扩展模块，输出选择电压型单极性0V-10V。执行器选择西门子420系列小功率变频器，并工作于模拟量输入调节频率模式。被控对象选择较小功率三相异步电动机，体积小、重量轻、安全。反馈装置选择常见1024线光电编码器，连接PLC高速脉冲输入端进行转速反馈。HMI设备选择MCGS7寸黑白触摸屏，用于输入各项控制参数，输出相关波形。HMI设备与PLC通信采用RS232。本系统构成示意图如图1所示。[2]

三、系统软件解决方案

PID控制从出现到广泛应用已历经多年，由于它算法经典，控制效果良好，具有一定的鲁棒性，目前仍然广泛应用在过程控制、机床控制等生产过程中。传统PID算法由于各参数固定，在控制过程中不能修改，因此目前提出了大量改进型PID算法，如：比例可变，积分分离，带死区的PID算法等，控制效果已经得到了广泛的验证。本实训项目控制算法拟使用比例可变的PID算法实现。[3]

使用PID算法控制转速时，比例越大，上升时间越短，快速性越好，但同时稳定性降低，超调量较大，调整时间较长。如果单纯直接降低比例系数，虽然稳定性有所好转，但快速性大打折扣。为了兼顾启动过程中的快速性要求及启动结束后稳定性的要求，希望比例系数可变。偏差较大时采用较大比例系数，偏差较小时采用较小比例系数，各参数均可根据经验或多次试验获得。

实现比例可变的PID控制涉及PLC基本逻辑指令、算数运算指令、高速计数指令、定时中断指令、PID指令等。PID程序的编写可使用西门子PID指令，或PID配置向导。参数预调使用系统自带参数配置工具，以减少参数调节工作量。人机交互使用常见实验台配套MCGS触摸屏及其组态软件，内容包含控制参数设置、给定、反馈显示等。

实训项目主体程序包含PID运算及偏差实时运算程序、PID系数赋值程序、高速计数器初始化程序和定时中断转速计算程序。

四、HMI监控界面

人机交互在实训项目中起到参数输入和结果输出的重要作用。HMI界面包含按钮输入、数据输入/显示、数据输出、文本信息以及趋势图。系统监控界面如图2所示，输入各项数据后，点击启动按钮系统开始工作，可在右侧趋势图中观察实时转速变化。当设置比例1和比例2参数相同时，系统等同于普通PID单闭环控制。当设置两比例系数为不同值时，可通过合理设置分离值，构成比例可变的PID单闭环控制；不同分离值所得效果可直接体现在趋势图中，直观，易于讲解。

五、控制效果

控制系统转速趋势图如图3所示，图a中为P1=0.8，P2=0.3，积分系数为0.05，=50；b中参数除外，其余参数与图a设置相同，控制效果区别明显；图c，d中为P1=P2=0.3，设置无效时转速趋势图，图c为PI控制，图d为P控制，能够体现两种控制的快速性、稳定性和准确性。从硬件到软件，直至最终控制效果，经历了一套完整的系统设计、程序编写、结果论证的过程，能够满足一般本科院校相关专业对自动化综合实训的要求。

六、结束语

实训方案综合考虑PLC控制器、HMI设备、上位机、模拟量控制、改进型PID算法等内容，从硬件到软件，直至最终控制效果，经历了一套完整的系统设计、程序编写、结果论证的过程，能够满足一般本科院校相关专业对自动化综合实训的要求。

本方案除能够实现比例可变的PID算法外，如将监控界面两比例系数设置为相同，系统即可实现常规P、PI、PD、PID控制，无需改动程序。如需控制不同被控对象（如温度），只需改动输入/输出部分硬件、软件和趋势图输出范围，适应性强。本项目既可作为高年级综合实训项目，也可用于低年级教学演示，应用范围广泛，具备较强的推广价值。后续可在本项目基础上，探讨比例1、比例2以及分离值的自适应设置，可向高级自动控制算法方向发展。

参考文献：

[1]李春燕.高校分类应从“本科教学工程”抓起：兼论应用型本科的“本科教学工程”建设[J].海南师范大学学报（自然科学版），2014.

[2]石淮.西门子S7-200PLC模拟量输入处理方法的应用研究[J].中国高新技术企业（中旬刊），2012.

[3]朱盈，朱俊.多种PID控制及其仿真比较[J].工业控制计算机，2010.