基于“PLC+变频器”的电机控制综合实验项目的开发和实施

裴玖玲+王宪磊

摘 要：如今的控制领域，PLC、变频器、触摸屏技术的综合应用相当广泛，在“PLC+变频器”实验台组成的前提下，以实际应用为背景，重点介绍结合试验台开发新的综合性、创新性实验项目，通过这些实验项目的实施，将当今在自动控制领域三大主流技术（PLC、变频器、触摸屏技术）引入到实验教学中，以提高该校学生的控制工程素质，培养学生的创新精神。

关键词：PLC 变频器 触摸屏 电机控制 实验项目

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（c）-0031-02

在自动化控制领域，任何一个工厂企业的生产线，例如：阿拉尔周边的棉花加工厂、滴管带厂、纺织厂等，还是现代农业的节能灌溉技术、居民楼的无压供水、乘坐的电梯，使用的空调、冰箱、洗衣机等家电设备，都离不开变频器、PLC对电机的调速。当今PLC、变频器、触摸屏三大控制技术在自动化领域的综合运用相当广泛，社会越来越需要高素质的控制工程技术人才。

该校作为南疆唯一一所综合性大学，担负着南疆控制工程人才输出的重任，虽然学校目前开设的有电气控制与PLC技术课程、电力电子技术课程，但是这两门课程的实验设备陈旧，实验项目偏重于原理性、验证性、基础性，没有专门的变频器和触摸屏应用实验，更别提3种控制技术联合起来的综合运用了，这种脱离社会对高素质控制工程人才需求的现象，迫切需要弥补。

1 PLC+变频器试验台建立

利用原来的PLC实验室资源，引入变频器和触摸屏，经过全系教师费尽心力的技术改造，实现了PLC+变频器综合试验台的开发。试验台控制系统采用西门子TP170B触摸屏、西门子MM440变频器及西门子S7-200 PLC，外加一些低压电器、各种传感器，灵活地实现了综合性实验的开发。实验时，需要学生根据所设计的图纸，现场接线，可通过外部按钮、触摸屏两种方式控制交流电机的运行（如图1）。

该试验台能实现的功能：（1）通过触摸屏TP170B控制交流电动机的运行，显示其工作状态，并可在线设置电机的运行速度，变频调速时速度上限设为50 Hz，超过此设定范围，触摸屏将报警提示，且触摸屏能实时显示交流电动机的运行速度曲线；（2）可通过试验台面板上的起停按钮手动控制交流电动机的运行；（3）可开发与电机、风机有关的综合性实验项目。

2 综合性实验项目的开发

根据周边工厂企业调研，挑选实用背景范围广的综合性实验项目，经过筛选，共开发了5个综合性实验编制成实验书，它们是：（1）多泵切换恒压供水实验；（2）储水器水位控制实验；（3）中央空调控制实验；（4）交流电机的多速度分时段运行控制实验；（5）工厂内运料小车自动往返控制实验。对于每一个实验，都有具体的应用背景，实验目的、实验内容、实验要求、实验考核内容和考核方法，因为这些实验的综合性、实用性极强，需提前做好查资料、进行电气硬件设计和软件设计，所需时间较长，一个学生完成起来比较困难，需要学生分组合作，工程完成，下面就多泵切换的恒压供水实验讲解一下项目实施过程。

3 综合性实验项目的实施

按照准备→设计→仿真→调试这样的系统设计原则要求学生完成此实验项目。

通过查资料，学生可以了解其实验背景：目前南疆农业灌溉中，用户用水的多少是经常变动的，根据灌溉阀门打开的多少经常会出现供水不足或供水过剩的情况，为了解决这个问题，目前一般采取恒压供水这种高质量供水方式。恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出水口压力保持不变的供水方式，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，随着变频调速技术的日益成熟，利用变频器、PLC、触摸屏技术构成的恒压供水控制系统，越来越普及。

实验目标：如图2所示，农田泵房有M1、M2两台电机分别拖动2台水泵，控制要求如下：（1）手动、自动的切换用可由转换开关实现；（2）手动时，由手动按钮分别控制2台电机的启动、停止；（3）自动时，先用变频器控制M1启动调速，当变频器达到上限50 Hz时延时2 min水压力还在下限，切换M1工频运行，再变频器控制M2启动调速；压力上升到达上限，延时1 min水压力还在上限，电机M1停止运行；当压力下降至下限时，使电机M2频率为50 Hz，延时2 min水压力还在下限，把M2切换到工频运行，再由变频器控制M1启动调速，如此反复使水压恒定；（4）系统自动运行时，可用触摸屏来控制启动和停止，并能直接设置管道的压力值。

确定控制方案：经过实际分析，采用一台变频器拖动2台水泵运行。在需供水量增大的加泵过程中，变频器驱动电机达到额定转速时，由变频器内部输出继电器动作作为一个控制信号将电机切换到工频电网直接供电运行，然后变频器再去启动第二台电机，为了以达到电机软启动降低损耗，PLC控制实现切换，需减少供水量的减泵时，由PLC直接停止工频运行的电机就可以了。另外，试验台的MM440变频器有ADC1、ADC2两个模拟输入端，ADC2接入反馈信号0～10 V，同时也把反馈信号送给S7-200的模拟输入端，给定的PID目标值由ADC1端通过S7-200的模拟输入端给定。经过分析，PLC分配I/O如表1所示

根据分配好的I/O口，学生就可以绘制硬件主电路原理图。

编写控制程序：根据I/O口的分配，学生就可按照程序流程图设计→PLC梯形图设计→触摸屏TP170B界面设计完成软件设计。

调试控制程序时，要完成PLC调试、变频器调试和触摸屏调试。调试PLC时，通过电脑在线监控和PLC的I/O状态灯来直接观察，为了节省时间，调试方便，可把定时器的设定值改小，PLC的模拟输出可直接用电压表观察输出结果，调试变频器时，用小电机或无电机调试，用信号源代替给定目标值和反馈信号，也可以通过电位器模拟给定，触摸屏的调试须链接PLC，触摸屏的24 V直流电可直接由PLC的信号电源供给。

4 实验项目验收

PLC、变频器、触摸屏综合实验是我校机电专业、电气专业教学中这几年开设的及其重要的教学环节，涉及多门课程理论知识，有电力电子、传感器、电机学、电气控制、PLC技术等，侧重于实践工程的综合运用。学生拿到实验题目后，首先必须仔细阅读实验指导书，对设计的内容和要求有一个全面系统的了解，收集相关资料，然后按照指导书的步骤逐项进行，完成实验。实验做出来后，先有学生当场介绍汇报，然后由指导老师提问与实验相关的问题，一般从各低压电器的名称、功能及选用；控制电路的互锁和自锁环节；PLC与变频器的电路连接原理；PLC程序的控制流程；变频器功能设置的关键参数；触摸屏与PLC的通信及变量的连接；软件程序和硬件电路配合情况；系统调试的要点；试验系统的安装及接线等几个方面随机提问。根据学生的汇报、完成的情況和指导老师提问，实验成绩分为优秀、良好、中等、及格和不及格5个级别，若发现别人代做，取消参加考核的资格。

5 结语

通过该试验台开发综合性、创新性实验项目，将这3种控制技术引入到实验教学中，使学生在校期间就能把各种知识综合运用，除了提高学生的控制工程素质，培养学生的分析、解决问题的能力，工程技术应用与创新的能力，还可以提高该校电气工程、机电工程专业学生的就业竞争力，增强用人单位对该校学生的信任度，扩大影响力。

参考文献

[1] 金英姬.基于PLC与触摸屏实现液压教学试验台控制系统的研究[J].教学与管理，2012，29（4）：151-154.

[2] 王晓红，李欣.PLC-变频器电机控制试验台的设计与实验项目的开发[J].教育教学论坛，2015（37）：241-242.