电气控制综合实验平台设计与探索

刘宏达, 徐　颖, 王科俊, 卢　芳, 康　崇, 王丽敏, 张学义

(哈尔滨工程大学 自动化学院, 哈尔滨 黑龙江　150001)



电气控制综合实验平台设计与探索

刘宏达, 徐颖, 王科俊, 卢芳, 康崇, 王丽敏, 张学义

(哈尔滨工程大学 自动化学院, 哈尔滨 黑龙江150001)

为了做好教学与工业生产的衔接、提高学生的实际工业技能、培养综合素质全面的大学生,在原有的电工实习、电器理论与应用、PLC和变频器使用等实验课程的基础上进行改革,设计开发了一套面向电气类专业的开放式的综合实验教学平台。它集识图、制图 、装配、调试、设计于一体,可分层次、分类别并贯穿原有多门课程。实践效果表明：该实验平台可以增强学生学习的兴趣,帮助学生迅速掌握现代工业控制的主流实用技术、提高对工业现实问题的解决能力和电气控制方面的研究兴趣。

电气控制； 综合实验平台; 实验课程改革

为了促进大学生将理论用于实践,培养知识雄厚、技术娴熟的新型人才,教育部和相关企业联合学校,共同举办一些大学生科技类竞赛[1-2]。电子类竞赛中包含绘图、制版、焊接元件、编写控制程序、实际调试等过程,效果比较显著。但对电气工程类竞赛,由于资金和环境的限制,能让学生自主设计、动手装配的训练很少,更多是偏向于在已经搭建好的硬件环境中进行软件设计,这达不到全面锻炼学生动手实践的目的。在电气专业的本科生教学环节中,通常只讲授电器原理、可编程控制器、变频器等内容,学生很难接触到实际的工业元件,学习中常感到晦涩难懂。即便是PLC这类有相关实验的课程,也是教师提前布线、连线并组态好后,只让学生进行电脑编程,不会涉及实物布线、查验、组态等环节[3]。而且,一般高校的PLC实验内容多是5层或7层电梯控制[4-5],只用到简单的逻辑控制,这与现代工业中常用的总线控制、模拟数字混合监控是脱节和无法衔接的。而且,上述电气类实验通常只针对单独课程进行,不同课程的实验之间缺少关联性,整体缺少向实际工程的接近性。

基于以上问题,为了改变现在教学方式,解决理论与实际的脱节、教学实验与工业脱节的问题,让学生在实践中深刻的学习,我们依托黑龙省教改和国家实验中心建设项目,设计了一个集理论与实践于一体的开放式实验平台。整个实验系统基于工业实物构建,通过采购的工业器件和装置,形成系统性的实验装置,改善了原有的相关课程的实验内容之间易脱节、连续性和继承性差的缺陷。实验内容之间环环相连,整个平台的所有技术协议、规约完全开放。通过安排渐进式和对比性实验,帮助学生初步接触现代工业实际；提高学生学习兴趣的同时,让他们在动手中发现问题、解决问题,迅速掌握现代工业控制的主流实用知识与技术,了解前沿技术,增强了学生对工业现实问题的解决能力,提高了学生未来从事电气控制方面研究的动力。

1　开放式实验教学平台总框架

开放式实验教学项目分为基础实验和拓展实验两部分。设计的实验教学内容总框架图见图1。

图1　设计的实验教学内容总框架图

基础实验培养目的是让学生初步了解并完整进行几个基础性的电气控制项目,完成从认识并使用工具、电气识图/制图、实物与电工图符对应、电气布线与装配、电路调试过程[6]。该环节中,教师为主导者,学生为实践者。学生在动手实践中,学习电气图的绘制、电器元件的识别与使用,同时了解并规范电器布线与调试流程等。

拓展实验是让学生综合利用基础实验所学,自主设计或在预先设计的案例引导下,去实现一个略微简化的工业电气控制项目,并自主完成装配和调试。自主设计的实验种类可以包括常用工业电器功能检验与控制实验、基于可编程控制器的电气控制或监控实验、基于工业控制技术的变频器控制实验、基于典型工业总线的控制与监控实验等。将这些实验设计为多层控制、彼此可以交叉,难度层层递进。该拓展实验环节,教师为引导者，学生为主导者,在自主设计过程中完成资料搜集、查阅、方案设计、任务分配等环节,过程中还可以引导学生各司其职、知识综合运用,学习正确记录实验数据和现象,科学进行实验分析,并掌握联合调试的一些方法、流程和规范等。

根据实验平台现有的实验器材和工具,结合基础和拓展实验的布局思想,设计了一系列实验案例,让学生通过案例教学实验,系统层次化地了解工业综合控制的概念。实验案例设计层次关系如图2所示。

实验平台提供的电工工具：刻丝钳1个,斜口钳1个,尖嘴钳1个,剥线钳1个,十字螺丝刀1个,一字螺丝刀1个,可换头螺丝刀1个,卷尺1个,万用表1块,烙铁1个,烙铁架1个,焊锡1卷,黑色胶皮垫1块,线号机1台,以及线槽、各色电线5种、各类接插件若干和UK电工端子50组。

图2　实验案例层次关系

2　基础实验案例设计

2.1低压实验台电源配电的设计与安装

提供的实验器材包括：三相转换开关1个，指针式电压表1个，空气开关4P1个，空气开关1P个，交流接触器1个，急停按钮1个，五孔插座1个，白色支架2个，螺丝1袋，FUSE4个，指示灯3个(黄绿红各一)，红心开关1个，三位端子台5个，香蕉插孔15个(黑4个,红4个,黄3个,绿3个,蓝1个)，器件安装架。实物连接图如图3所示。

图3　低压配电柜实物连接图

实验内容包括：认识电源柜用到的基本电气部件、常用电气元件,认识相应电气符号；以安装实验台供电电路为目标,学习电源配电环节中在电气接线方面的要求、规范、检验与调试方法；学习各种电工工具的使

用和线号机的用法；在配电环节装配过程中,掌握接插件、热缩管、扎带的使用,学习并掌握软硬线类型和线径选择,掌握典型指示、保护环节的连接方法。

2.2传统工业电气控制方式——继电器控制实验

目的是让学生了解电气控制中的继电器控制,并体会继电器控制修改线路时,重新布线工作量大的显著缺点。

实验器材：交流接触器CJX2-1210 1个，交流接触器CJX2-0910 2个，时间继电器1个，时间继电器底座1个，熔断器底座1个，热继电器1个，UK端子5N5个，UK端子50个，单股铜芯线0.5平15m，单股铜芯线1.5平5m，三相异步电机0.55kW1个，DIN导轨35mm2个，针形接线端子，扎带100mm若干。

内容大体安排：以三相异步电机的星三角降压启动这一典型电气控制电路(见图4)为例,学会看电气原理图(识图)；根据电气图选择电器,并进行简单功能测试,再连接降压启动电路,即完成按图装配；调试并检验继电器控制电路；连接负载,完成电机降压启动。

图4　三相异步电机的星三角降压启动电气图

2.3基于可编程控制器的典型电气控制实验

实验目的是让学生体会到PLC控制替代继电器控制带来的便利,演练针对PLC替代继电器的过程。实验器材：在2.2节已有实验器材基础上提供型号为CPU224XPAD/DC/RLYPLC1台。大体内容包括：依照安装手册了解PLC的结构,并完成PLC外部接线；梯形图的编程,完成PLC程序的下载和调试；.以星三角降压启动为例,用PLC编程替代传统继电器控制电路,感受工业由继电器控制转为PLC控制意义和价值[7-8]。图5为该实验的梯形图程序,梯形图“数字逻辑电路”实现了传统继电器控制电路的代替。

2.4变频器控制实验

目的是让学生初步掌握变频器的安装、连接与使用方法。实验器材：ABB的ACS550变频器1台,0.55kW三相异步电机1台(空载),变频器手册1册[9]。

图5　星三角降压启动PLC梯形图程序

实验大体内容步骤：学习变频器的结构、端子接线和手动控制方法；学习变频器控制盘的使用和外接模拟电压控制；将变频器和三相异步电机连接,提供控制盘或外接模拟电压控制,完成基于变频器控制的电机转速控制和软启动,同时学习利用控制盘获取电机运行情况的方法。

3　拓展实验案例

3.1基于PLC的典型工业控制和数字保护实验

目的：引导学生基于PLC的实现更复杂的数字控制与保护。案例：以2台三相异步电动机顺序启动、逆序停止为例[7]。

要求：设计主电路和控制电路图并进行电气CAD绘制,根据设计好的控制电路选择实验器材和工具,进行装配并调试。用PLC实现数字保护,以代替(或冗余)传统的基于继电器的热保护和电压保护，即用PLC的A/D功能进行电压、电流采集,并在PLC程序内部处理判断,当电压、电流越限时,报警并发出保护命令使主回路接触器断开。

3.2利用PLC的总线模块控制变频器

目的：学习掌握最基本的工业总线网络的配置、运行和软硬件设计。

案例：利用S7-200(或兼容PLC)的RS485模块,按照变频器自身的通信协议[8],实现基于总线的PLC-变频器之间的控制模式。

要求：了解并掌握MODBUS通信协议和CRC16校验,利用STEP7-Micro/WIN32软件实现MODBUS协议编程[9-10]；然后将载有MODBUS协议程序的PLC,通过RS485总线,控制变频器的启动、停止、加速/减速到给定值；并通过PLC读取到变频器的相关参数(如电压、电流、转速、转矩、功率等),以及对监测数据进行存储。

案例引导：S7-200PLC和ACS550变频器都具有RS485通信口；采用PLC的PORT0端进行MODBUS通信；PLC做主站；变频器为从站,其站号为1；总线网络中所有站点的通信设置必须相同(波特率为9.6kbit/s,8位数据,无奇偶校验,1位停止位)。利用STEP7-Micro/WIN32进行编程,PLC的PORT1口用作程序下载口,相对应的PLC程序的流程图见图6。

图6　总线模式的PLC流程图

3.3典型工业监控实验

目的是让学生掌握最基本的工业分散式控制系统DCS的组成与工业实现,即引导学生实现管理级(工业计算机级)-车间网络级(PLC)-现场级(变频器)的三级控制。

(1) 计算机和PLC之间的数据传输实验。实验目的是引导学生利用RS485将计算机、PLC、变频器级联在一起,实现分层控制。需要学生在3.2节的基础上,在计算机上利用工业组态软件[11-12](如组态王)设计一个监控界面,监控PLC,PLC对变频器-电机组成的传动系统进行运行监测和控制。实施内容主要包括：实时读取PLC寄存器内存储的(来自变频器)传动系统运行数据；可以在监控界面上输入0～1 410r/min中任何一个转速值,被控电机的转速达到特定值则进行声光报警；在监控界面上,可以显示变频器内部相关参数的实时曲线,还可以查询到历史曲线和报警记录等。

图7为学生们自主设计搭建的监控界面,图中实际转速值(绿色线)可以很好地跟随理论输入值(红色线),说明该套三级控制系统已经能够很好实现对电机转速的控制。

图7　学生设计搭建的组态界面

(2) 计算机直接对变频器监控。考虑到工业中有些时候可以从管理级直接对现场级装置进行操控，所以设计了此引导实验。学生通过工控组态软件在电脑上搭建监控程序,越过PLC,直接读取或改写变频器的内部寄存器中的数值,从而实现对变频器-电机组成的传动系统进行控制。

(3) 其他扩展实验。对部分学生,还引入了基于GSM、Zigbee、WIFI这些无线网络对PLC+变频器+电机的电气系统的监控。

4　实验效果与学生反馈

学生以团队形式进行实验,5～6人为一个工作小组。实验总学时设置为20学时,其中有3～4学时进行相关知识的讲授。在学生完成整套实验后,学生要根据本组的实验过程和成果,写出分析总结报告,包括整体的方案设计、小组成员分工情况、方案实现步骤、实验过程中遇到的问题和解决方法、最终的实验结果和心得体会等。最后的实验总结有利于学生对整个实验有一个整体、全面的体会,效果更加显著。经过3年多的教学应用,我们通过对每年参与实验的学生的调查,总结出的实验效果和学生反馈见表1。

表1　实验效果与学生反馈调查结果

5　结语

该电气综合实验平台较好地满足了我校电气专业学生的部分培养需求。基于教师先指导后引导,学生先实践后自主的实验教学方式,让学生学习实际的工业设计流程,进行自主装配和自主实验,解决了传统实验教学模式只知原理和浅层使用、无工业系统综合控制系统的问题。设计的开放性教学实验台脱胎于工业实际,学生通过该教学系统,可以实际接触工业产品和开发调试过程,大大提高了学生学习的积极性和实验主动性。在动手实践中,还加深了对学生专业课程的认识和对专业的好感,同时,增强了他们的团队合作性和解决问题的软能力。

References)

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Designandexplorationofelectriccontrolintegratedexperimentalplatform

LiuHongda,XuYing,WangKejun,LuFang,KangChong,WangLimin,ZhangXueyi

(AutomationCollegeofHarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Thispaperproposesanovelopentypeintegratedexperimentalplatformforelectriccontrolteaching,basedonthereformofsomepreviouselectricexperimentslikeelectricalengineeringpractice,theoryandapplicationofelectricappliance,PLC,useofconverter,etc.,aimingatlinkingupschoolandindustry,improvingthestudents`actualindustryskillsandcultivatingall-sidedcollegestudents.Theproposedplatformintegratesreading,drawing,assembling,debugginganddesigningandinvolvesanumberofpreviouscourseshierarchically.Practicalresultsshowthatthisplatformcanenhancethestudents’interestinstudyandresearchofelectriccontrol,havingarealgraspofkeyskillsofmodernindustrycontrolrapidlyandtrainingtheabilitysolvingtheactualengineeringproblems.

electriccontrol；integratedexperimentalplatform;experimentreform

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.019

2015- 10- 27修改日期：2015- 12- 01

黑龙江省高等教育改革项目(JG2013010177,JG2013010202);黑龙江省高等教育学会教育科学研究规划项目(HGJXHC110374)；哈尔滨工程大学教育改革项目(SYJG20130412)

刘宏达(1976—),男, 山东蓬莱,博士,副教授,主要研究方向为微电网与智能电网.

E-mail：liuhd405@163.com

G642.423;TM571

A

1002-4956(2016)5- 0069- 05