便携式机电综合实验装置研制和实验项目开发

2019-06-26刘元永周恒超

山东商业职业技术学院学报 2019年3期

刘元永，周恒超

(1.山东工业职业学院，山东淄博 256414；2.山东商业职业技术学院，山东济南 255413)

适应现代工业企业需求，培养具有机电一体化综合技术能力的人才势在必行。大专院校开设了大量相关专业，以高职为例，从高等职业教育专业设置备案结果查询，2019年全国开设机电一体化技术专业的学校共1087所。各大专院校在机电类专业本科生中相继开设了《机电控制技术》《计算机控制》《单片机原理及应用》等与机电一体化技术相关的课程[1]，在高职自动化类专业中开设《电机与控制》《PLC应用技术》《变频器应用技术》《伺服驱动应用技术》《触摸屏组态技术》等课程。这些课程具有很强的技术性和实用性，必须理论联系实际，通过一系列的面向实际应用的软硬件实验，才能使学生获取实用知识，取得理想的教学效果。但现有的实验装置功能不够完善，学生在进行实验时只能进行验证性实验，综合性不强，不能满足创新性实验要求，也不能满足当今实验教学需求。商品化的教学仪器和实验设备多按实验台或多功能试验台的模式开发，只能完成数量有限、功能固定的教学实验，工程真实性差。例如，PLC实验设备是由PLC和简单的发光二极管(LED)构成，由LED的亮灭表示控制对象是否动作。这类实验台，教师在讲解演示时，后面的学生看不到。为此，本文设计了一个能够实现自动化类多门课程的实验实训项目的实验装置，该实验装置即能够方便教师拖到教室完成理论课堂的上课讲解演示实验，又能够固定在实验实训室方便学生实验实训。

1实验装置研制

1.1机械结构

实验装置由底座、支架、支架上的控制箱、装在控制箱里的电器和底座上的电动机、丝杠、编码器等有机构成。机械结构如图1所示。

图1 机械结构图

机械结构主要包括底座(1)、固定在底座上端的辅助支架(2)以及与辅助支架连接的控制箱(3)。

底座包括：带自锁结构脚轮(11)、辅助地脚(12)，方便拖动和固定。底座上面可以安装三相异步电动机、装有伺服电机或步进电机的丝杠等负载和编码器等传感器。

辅助支架包括：安装在辅助支架内拉杆(21)，拉杆与辅助支架之间设置有自锁结构，当拉杆带动控制箱升高到不同高度可锁住，方便教师演示、学生观察和安装实训；拉杆上端设置有用来拖动的把手；辅助支架上设置有滑轨(22)，滑轨上安装控制箱。

控制箱包括：箱体、箱门(34)、连杆(33)、铰链(35)、插销(32)等。箱门可以在4根连杆的支撑下平移上升打开，并用插销固定，方便学生观察内部。呈“L”型的连接杆(31)一端连接箱体上端，另一端连接拉杆上端，拉杆通过连接杆带动控制箱沿滑轨上下滑动。

1.2 电气系统

根据电机与控制、PLC、变频器、伺服驱动、触摸屏等相关课程的要求，搭建实验装置的电气控制系统。图2所示为系统的整体结构框图。

图2 电气系统框图

控制箱内部的安装板上可以根据不同课程的需要，模块化的选择按装断路器、直流继电器、交流接触器、时间继电器、开关电源、PLC、变频器、伺服驱动器、步进驱动器、端子排等。控制箱门上方孔内安装触摸屏，圆孔内安装指示灯和主令电器。安装了部分实物电气设备的控制箱如图3所示。

图3 控制箱电气设备示意图

2实验项目开发

根据职业院校机电一体化技术专业人才培养方案和课程标准中对于电机与控制、PLC、变频器、伺服驱动技术、触摸屏等课程的知识及技能的要求，本装置可以实现上述课程的绝大部分教学演示实验和学生实验实训。因篇幅限制，下面简述实验装置能开展的演示实验和实训项目，仅就伺服驱动器速度控制展开论述。

2.1 电机与控制类课程

2.1.1 低压电器认知

控制箱门上安装常用的按钮、开关、电位器等主令电器和指示灯等。控制箱内部的DIN导轨上安装低压断路器、交流接触器、直流继电器、热继电器、熔断器等保护和控制电器。这些电器在实验装置上方便教师演示和学生安装实训。

2.1.2 继电器控制三相交流异步电动机

控制箱用单相220V输入变频器方便地将单相交流电变为三相交流电，在没有三相电的教室也可实现用继电器控制三相交流异步电动机实现点动运行、连续运行、两地控制、正反转、Y-△启动、能耗制动，还可以模拟电动葫芦、铣床、镗床等。

2.2 PLC课程

2.2.1 PLC控制三相异步电动机

在装置上选装PLC、低压断路器、熔断器、交流接触器、按钮、急停开关、开关电源、热继电器、三相异步电动机。实现PLC控制三相异步电动机点动运行、连续运行、正反转、顺序启停、两地控制、降压启动、能耗制动等。

2.2.2 PLC功能指令控制指示灯

控制箱门的指示灯可以模拟十字路口交通灯、喷泉、天塔之光、流水灯等，实现PLC功能指令的演示和实训，配合触摸屏显示更逼真。

2.2.3 编码器、PLC高速计数器应用

在教具上选装开关电源、PLC、编码器、电动机，可以实现检测位置和转速等实验实训项目。

2.3 变频器课程

在装置上选装变频器、PLC、电动机和其他外围设备可以实现变频器的面板控制与监控，端子控制变频器点动运行、正反转运行、多段速运行、模拟量给定频率，PLC通信控制变频器。

2.4 触摸屏课程

在控制箱门安装的触摸屏与控制箱里的PLC通信可以实现触摸屏课程的教学演示或学生组态实训，还可以实现触摸屏、PLC和变频器的综合实验实训项目。

2.5 伺服驱动课程

现有伺服运动控制的实验装置较少，在本装置的控制箱中安装伺服驱动器、步进驱动器、PLC等，在装置底座上安装研制的电机拖动的丝杠系统，如图4所示。图中电机为伺服电机还可以换装步进电机，实现伺服和步进的位置控制，模拟机床工作台的运动。能够实现伺服驱动器面板控制、速度控制和转矩控制。

图4 伺服拖动系统

本文选用台达ASD-B2伺服驱动器、S7-200 SMART SR40 PLC、MCGS触摸屏、编码器，简述伺服速度控制实验项目开发。伺服驱动器外部端子配合内部参数实现多段速，PLC高速计数器计数编码器的脉冲数，PLC编程计算转速并在触摸屏实时显示，计算结果与伺服驱动器面板显示的转速比较验证。

2.5.1 实验目的

分配PLC I/O地址，画出电气接线原理图，完成电气接线；设置伺服驱动器参数；组态触摸屏与PLC通信设备窗口和用户窗口等；编写、调试PLC高速计数器、数值运算转换程序，计算转速。

2.5.2 实验内容

参考图5电气接线原理图，完成电气接线。

图5 电气接线原理图

台达伺服速度控制参数如表1所示，由于伺服电机拖动丝杠且长度较短，我们设置转速低一些。

表1 台达伺服速度控制参数表

用MCGS组态软件组态触摸屏窗口，如图6所示。

图6 电脑模拟运行的触摸屏组态窗口

编码器的分辨率为1000，用STEP 7-MicroWIN SMARTPLC编程软件编写PLC控制程序，高速计数器用向导生成，采用4倍频，电机转速计算程序如图7所示。

修改电机转速设定值，取多组实验数据，观察伺服驱动器面板和触摸屏显示的电机转速的实时数据、实时曲线、历史曲线、历史报表，可以发现电机转速低于10r/min时，检测数值基本不变，大于100r/min时转速围绕设定值上下波动稳定运转。分析实验结果，本文采用伺服电机轴端的编码器分辨率为160000，伺服驱动器控制电路处理编码器反馈的脉冲数，采用PID控制电机实现恒速转动。PLC所接编码器的分辨率为1000，结合定时器计算转速，在硬件和算法上导致精度比伺服驱动器低，修改定时的设定值可以缩短检测时间减小误差。