摘要：針對(duì)機(jī)床電氣控制、PLC、變頻器等課程的綜合實(shí)訓(xùn)，設(shè)計(jì)出開放性較強(qiáng)的電氣控制綜合控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其運(yùn)用原理和結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了分析和探討，并闡述了在實(shí)踐教學(xué)和科研中的應(yīng)用實(shí)例及其特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電氣控制 可編程控制器PLC 變頻器 MCGS

　　　　0 引言
　　　　本文介紹的電氣控制綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分利用了電氣、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)，綜合性和實(shí)用性較強(qiáng)，又以開放性和設(shè)計(jì)性實(shí)訓(xùn)為主，改變了原來(lái)的單一實(shí)驗(yàn)單一設(shè)備或單一課程單一實(shí)驗(yàn)裝置的獨(dú)立模式，同時(shí)也能適應(yīng)以機(jī)床電氣控制，PLC，變頻器等課程為主的專業(yè)教學(xué)和綜合實(shí)訓(xùn)的需要。

　　　　該實(shí)驗(yàn)臺(tái)一方面對(duì)常見(jiàn)的機(jī)床電氣控制——繼電器-接觸器硬件接線提供了控制對(duì)象和模型，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置功能單一，只能完成固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的缺陷。另一方面引入目前在工控行業(yè)廣泛應(yīng)用的可編程序控制器PLC，變頻器，傳感檢測(cè)等設(shè)備，為學(xué)生構(gòu)建、仿真工控系統(tǒng)搭建了一個(gè)平臺(tái)。

　　　　1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理、結(jié)構(gòu)

　　　　1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理分析 首先建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)的理論模型。典型的控制系統(tǒng)由系統(tǒng)輸入、控制部分、反饋元件、系統(tǒng)輸出等組成。控制部分又分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種。

　　　　一般設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)由輸入設(shè)備、邏輯控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，也可根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行閉環(huán)控制。輸入設(shè)備用于采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸送到系統(tǒng)，如開關(guān)、按鈕、繼電器接觸器觸點(diǎn)、行程開關(guān)、傳感器等裝置；邏輯控制部分主要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理；轉(zhuǎn)換之后的控制信號(hào)用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。邏輯控制部分可由繼電器—接觸器線路搭建或通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，常見(jiàn)的有接觸器、電磁閥、變頻器、直流控制器、顯示元件等。

　　　　對(duì)于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)可先利用仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真，然后根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的控制方案。常用的仿真軟件如MCGS，Visual Graph等。

　　　　1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu) 根據(jù)典型電氣控制系統(tǒng)的基本原理及組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成由控制面板（按鈕、開關(guān)、指示燈等）、控制部分（繼電器—接觸器系統(tǒng)、PLC等）、執(zhí)行部分（接觸器、變頻器等）、控制對(duì)象（電機(jī)、顯示器、機(jī)床動(dòng)力頭等）、計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件組成。

　　　　實(shí)驗(yàn)裝置主要由三部分組成：
　　　　以繼電器—接觸器為主的電氣控制部分。通過(guò)按鈕、開關(guān)、接觸器、繼電器、熱繼電器等電器元件的選擇，布線，接線及調(diào)試，完成傳統(tǒng)的繼電器—接觸器邏輯控制線路，實(shí)現(xiàn)不同的控制要求。如三相異步電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)、長(zhǎng)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、順序啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)，機(jī)床執(zhí)行部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)等控制功能。

　　　　基于PLC和變頻器的電機(jī)控制部分。通過(guò)計(jì)算機(jī)利用PLC的編程軟件完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，并下載到PLC中；構(gòu)建PLC與變頻器之間的連接（軟件連接、硬件連接），并通過(guò)電機(jī)相關(guān)量的檢測(cè)裝置（電壓表、電流表、編碼器等），對(duì)電機(jī)的的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控或構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　　　利用組態(tài)軟件MCGS或Visual Graph完成對(duì)電氣控制控制系統(tǒng)與PLC應(yīng)用技術(shù)的仿真。通過(guò)仿真軟件的編程，仿真控制線路中的各個(gè)開關(guān)、觸點(diǎn)以及接觸器線圈的邏輯關(guān)系，并可在仿真畫面中較真實(shí)的顯示控制面板；并且所有導(dǎo)線、繼電器線圈、觸點(diǎn)和開關(guān)等都可設(shè)置成不同的顏色以便區(qū)別。把組態(tài)軟件和PLC連接起來(lái)，用組態(tài)畫面實(shí)現(xiàn)各個(gè)開關(guān)、接觸器等器件的動(dòng)態(tài)顯示，用PLC實(shí)現(xiàn)控制功能。

　　　　至此，我們搭建綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)原型，由于系統(tǒng)地開放性和擴(kuò)張，可以根據(jù)需要增加電氣元件、執(zhí)行部件和其它功能模塊。

　　　　2 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　　　電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電路接線面板、控制面板、執(zhí)行元件、PLC、變頻器及相關(guān)軟件所組成。PLC選用歐姆龍公司的SYSMAC CP1H系列，4點(diǎn)開關(guān)量I/O輸入輸出，具有模擬量輸入輸出功能。變頻器選用歐姆龍公司的開環(huán)矢量控制型變頻器SYSDRIVE 3G3MZ系列，該系列變頻器除可實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器矢量控制的強(qiáng)大轉(zhuǎn)矩對(duì)的豐富應(yīng)用外，還搭載了RS485和DeviceNet PROfibus CANopen等其它可選件，能實(shí)現(xiàn)與可編程控制器PLC等上位機(jī)的連接，也方便完成通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。CP1H配備了標(biāo)準(zhǔn)USB端口和兩個(gè)串行通信接口（RS-232C和RS-485），利用USB端口與上位機(jī)通信，利用RS-485與變頻器進(jìn)行通信。

　　　　電路接線面板采用網(wǎng)孔板形式，電器元件的位置可以自行設(shè)計(jì)，給學(xué)生提供了更大的設(shè)計(jì)控制空間。實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制面板布置有紅、綠、黃等指示燈和各種按鈕，主要用于控制操作和指示。執(zhí)行元件工作臺(tái)提供各種執(zhí)行元件，如三相異步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等各種電機(jī)和機(jī)床動(dòng)力裝置。

　　　　PLC程序設(shè)計(jì)采用OMRON公司的編程軟件CX-Programmer，對(duì)于較復(fù)雜系統(tǒng)可利用組態(tài)軟件MCGS完成電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)的仿真。

　　　　3 實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)

　　　　3.1 實(shí)踐性強(qiáng)，提高學(xué)生動(dòng)手能力 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用真實(shí)的電氣元件或?qū)嶋H模型，直觀性很強(qiáng)。如各種電機(jī)、機(jī)械動(dòng)力滑臺(tái)，模擬機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，快進(jìn)，工進(jìn)，快退等整個(gè)工件加工過(guò)程，學(xué)生通過(guò)對(duì)各類電器及電氣元件的認(rèn)識(shí)，接線和組裝，可以熟悉并掌握各類機(jī)械設(shè)備和自動(dòng)化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理。

　　　　學(xué)生在這些具體線路的組裝和調(diào)試中，需要進(jìn)行大量的實(shí)際操作，從而提高了自身的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。如電機(jī)控制，首先要熟悉電機(jī)控制原理圖，繪制出電路圖和接線圖，然后完成線路的連接，再通電實(shí)驗(yàn)，調(diào)試，最后觀察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

　　　　通過(guò)計(jì)算機(jī)的軟件編程完成PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)可以全面提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力. 此外利用仿真軟件可以更大范圍的發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)能動(dòng)性，拓展控制系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)能力。

　　　　3.2 開放性好，培養(yǎng)綜合素質(zhì) 和其它課程實(shí)驗(yàn)裝置相比，此平臺(tái)的電機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及面廣，具有開放性和綜合性的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求，增加相應(yīng)的功能。

　　　　3.3 創(chuàng)新性高，增強(qiáng)科研素養(yǎng) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有很強(qiáng)的開放性，學(xué)生可以自由選題，自主設(shè)計(jì)，提高創(chuàng)新能力。另外可以利用此實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，最終應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

　　　　4 結(jié)語(yǔ)

　　　　本文所述的電氣控制綜合試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)成功后，已在我院的現(xiàn)代電氣控制綜合實(shí)訓(xùn)室中投入使用。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上自主設(shè)計(jì)調(diào)試出各種電氣控制線路和PLC應(yīng)用程序，并且形象生動(dòng)的看到實(shí)際的控制效果。實(shí)踐證明，此實(shí)驗(yàn)運(yùn)行正常，有很高的可靠性和安全性，為教學(xué)，實(shí)驗(yàn)和科研搭建了一個(gè)很好的平臺(tái)。　

參考文獻(xiàn)

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