基于MCGS的“变频调速技术”虚拟实训平台设计
2016-09-19董改花曹新东
董改花，曹新东
基于MCGS的“变频调速技术”虚拟实训平台设计
董改花，曹新东
针对高职机电类专业设备投资大、维修费用高的现象，利用组态MCGS，开发适用于高职的变频调速技术仿真实训平台，并设计了每个项目的具体步骤。此平台成本低，操作简单，具有很好的扩展性。
高职；虚拟实训平台；变频调速技术；工业组态MCGS
一、问题的提出
随着变频调速技术的广泛应用，“变频调速技术”课程已经成为高职机电类专业的一门主干核心课程。“变频调速技术”是一门实践性较强的课程，应该多开设一些与工业实际应用紧密结合的实训项目，需要搭建一个良好的实训平台。而由于资金、价格、设备、场所等各方面条件限制，各学校难以投入大量工控设备构建真实企业场景的实训平台。目前，各学校所采用的变频调速技术实训平台基本上分为两类。一类是简易的变频器实训箱，此实训装置没有真实的被控对象，学生通过观察指示灯的亮灭与变频器有无频率显示来判断程序的运行状况，学生很难理解控制过程，程序出了问题很难找到具体原因。这种实训平台对学生编程结果表现不明显、不直观。学生只能凭空想象被控对象的工作过程，无法看到实际的运行效果，很大程度上影响到了学生学习的积极性与主动性。此外此种变频调速实训平台容易造成接错线等不当操作，导致维修成本高、安全隐患大等问题，而且对于复杂的控制模型比较难实现。另一类是教学设备厂商开发的特殊企业模拟实训平台，例如亚龙、天煌等公司开发的微型实训设备，很好的反映了工业真实情景，教学效果不错。但是，此类设备造价昂贵，有的一套要数万元，有的甚至要十几万元，而且后期维护费用也高、占地面积一般较大。学校很少投资，即使投入了也不能够保证人手一机的操作训练。
针对以上“变频调速技术”实训教学平台的现状，一种既能很好的展现工业控制现场情景，又能不增加硬件成本支出的“变频调速技术”课程实训平台的开发，显得非常具有实际意义。
二、虚拟实训平台软件选择
组态软件产品出现在上世纪80年代初，我国是上世纪90年代引入的。由于组态软件具有图像显示、动画显示、报警处理、报表输出等各种功能，能满足用户各种需求，目前已经广泛用于各种工业控制中。［1］但组态软件在仿真教学系统［2］的应用是从2002年开始的，研究应用领域大多是对PLC课程实训仿真系统的开发及实现方面，［3］此外，还有部分是对PLC通信方面的研究。［4］然而，在现有的参考文献中，还体现以下两方面的不足。（1）选用的控制工程不全面，开关量控制较多，对模拟量的控制几乎没有。（2）系统远程监控功能并没有充分发挥组态软件的全面功能，在系统远程监控功能及网络功能方面研究不多，应用功能没有发挥出来。
目前还没有将组态软件应用于对变频调速技术课程实训平台的开发。本文拟将组态软件设计实训平台的方法应用于变频调速技术课程中，而且针对PLC课程应用中出现的不足予以弥补，本系统新增模拟量工业控制场景及实现上位机远程监控功能，本文选用了工业控制中应用广泛的MCGS软件。
三、虚拟实训平台设计
（一）实训主平台设计
根据变频调速技术课程大纲及高职学生认知特点和能力要求设计实训项目内容。将基于工业组态MCGS的“变频调速技术”实训平台分为2个部分，分别为基本技能实训模块、应用提高实训模块。第一部分基本训练模块包括5个实训项目：实训项目一：变频器FR-D700外部端子点动控制；实训项目二：变频器FR-D700控制电机正反转；实训项目三：变频器FR-D700多段速度选择变频器调速；实训项目四：变频器FR-D700无级调速；实训项目五：外部模拟量（电压/电流）方式的变频调速控制。第二部分应用提高训练模块包括6个项目。实训平台主界面如图1所示。
图1 “变频调速技术”课程实训主平台
（二）单个实训项目的开发
现以其中一个实训项目三“变频器FR-D700多段速度选择变频器调速”为例，阐述项目开发过程。
1.确定被控对象及控制功能。变频器FRD700多段速度选择变频器调速实训项目要求：（1）学生能正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速。（2）通过外部端子控制电机多段速度运行，开关“K2”、“K3”、“K4”、“K5”按不同的方式组合，可选择15种不同的输出频率，分别为5Hz、10Hz、15Hz、18Hz、20Hz、23Hz、29Hz、32Hz、35Hz、38Hz、41Hz、44Hz、47Hz、50Hz。（3）运用操作面板设定电机运行频率、加减速时间。
2.仿真动画静态界面设计。根据实训项目控制要求，利用MCGS组态软件设计静态界面如图2所示。
图2 项目三虚拟实训平台
3.实时数据库的设计。根据实训项目控制要求，利用MCGS组态软件设计静态界面要建立变量。
4.静态画面及脚本程序的编写。变频器FRD700多段速度选择变频器调速实训项目静态画面设计好之后，要运行起来还需要循环动态脚本。具体脚本编写应该按照K2、K3、K4、K5动作的顺序编写。
5.设备通讯联机调试。首先，实训前对该变频器参数在虚拟实训平台上逐一进行设置。
当按下启动按钮K1，电机启动，Run运行监视指示灯亮。当按下频率给定按钮K2、K3、K4、K5时，电机按照指定频率运行。K2、K3、K4、K5不同组合将有不一样的运行频率。
当按下K1、K4时，电机运行指示10Hz，电机运行指示灯Run变亮，同时电机运行标志灯变绿。调试如图3所示。当按下K1、K4、K3时，电机
图3 按下K1、K4时第2速调试图
运行指示18Hz，电机运行指示灯Run变亮，同时电机运行标志灯变绿。调试如图4所示。
图4 按下K1、K3、K4时第4速调试图
四、总结
基于组态软件MCGS的变频调速技术实训平台的设计与开发，是将PLC、变频器、组态MCGS有机地结合起来，利用工业组态MCGS软件模拟多种变频控制对象，在上位机计算机屏幕上以动画的形式再现变频控制系统的工作过程。学生不需要实物，仅需要与上位机通过RS-232连接就可检验所编程序是否正确。
（一）有利于降低教学成本
此系统不需要在另外增加任何硬件资源的情况下，可以构建各种变频工业控制情景。利用上位机的组态画面仿真变频控制系统，避免了实训中变频器与控制对象的硬件接线，减少了实训中的硬件故障率和材料耗损，有效地降低了教学成本。
（二）有利于设计实训项目
此系统扩充及更新实训内容模板极为方便，只需更改软件。实训中，可通过编写不同的控制程序实现不同的控制要求，而不用改变复杂的硬件接线。因此，本系统具有较好的开发柔性与扩展性。
（三）有利于提高学生学习主动性
本控制系统画面生动逼真，学生在调试程序阶段能更好的观测变频控制对象的动作过程，控制效果形象生动，学生易于理解，极大调动了学生学习的积极性。能够培养学生的自主创新能力，有效提高学习效果。
［1］朱晓华，冯玉田，章玉鉴.基于组件技术的虚拟仪器开发方法的研究［J］.上海大学学报（自然科学版），1999（4）：357-361.
［2］尹爱军，杨正益，孙丽萍，等.虚拟仪器开发中功能组态设计［J］.振动、测试与诊断，2010（2）：193-196.
［3］金亚玲，刘义杰，郑志广.浅谈组态软件在PLC实验教学系统中的实现［J］.企业导报，2011（17）：238-240.
［4］王宝林.基于组态软件的全虚拟PLC教学系统实现及应用［J］.中国教育技术装备，2014（8）：42-45.
［责任编辑陈国平］
江苏省高等学校大学生创新创业训练计划一般项目（项目编号：201512685001Y）；江苏省高等职业院校国内高级访问学者计划资助项目（项目编号：2015FX068）；苏州经贸职业技术学院教育教学研究重点课题（项目编号：201505）
董改花，女，苏州经贸职业技术学院副教授，硕士，主要研究方向为机电一体化教学。
G712
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1674-7747（2016）21-0067-02
