（北京市仪器仪表高级技工学校北京100095）
摘要：本文介绍的电气控制综合试验平台，充分利用了电气、自动化和计算机等多学科领域的基础知识和技术，综合性和实用性较强，又以开放性和设计性实训为主，改变了原来的单一试验、单一设备或单一课程、单一试验装置的独立模式，同时也能适应以机床电气控制、PLC和变频器等课程为主的专业教学和综合实训的需要。
关键词：电气控制；综合实验；平台；设计
1电气控制、PLC和变频器
1.1电气控制
电气控制一般称为电气设备二次控制回路，不同的设备有不同的控制回路，而且高压电气设备与低压电气设备的控制方式也不相同。具体地来说，电气控制系统是指由若干电气原件组合，用于实现对某个或某些对象的控制，从而保证被控设备安全、可靠地运行，其主要功能有：自动控制、保护、监视和测量。
1.2PLC
PLC可编程逻辑控制器，是一种专用于工业控制的计算机，是应用计算机应用技术、通讯技术和自动控制技术等技术而发展起来的通用控制器。实质是可以进行储存、逻辑运算、控制程序、控制时间、记录数据和进行算术计算，通过数字或模拟式输入输出控制等的一种机械或生产过程。主要特点有体积小，重量轻实用性普遍抗干扰能力强应用简单普通维护与改造方便等。
PLC的工作工程：收集和输入初始数据。在控制系统的软件程序的控制下，通过执行预编辑好的指令对输入区域进行扫描，进行分析和判断输入区域所处的运行状态；程序对特定功能的处理。根据用户控制系统中设定的程序指令，按预先规定的规则进行全面扫描，并根据现场运行状态、指令要求等情况，作出实时分析或者逻辑性运算；控制响应过程把收集执行程序的相关分析结果和逻辑运算结果输出到系统控制主机，再由主机向所有输出点发出响应信号，从而控制相关设备。按照以上的步骤重新开始一遍，每一次就是一个工作周期。在实际应用中往往需要很多的设备的若干个过程的工作。
1.3变频器
变频器（VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
2试验台原理及结构
该实验台一方面对常见的机床电气控制——继电器-接触器硬件接线提供了控制对象和模型，克服了传统实验装置功能单一，只能完成固定实验内容的缺陷。另一方面引入目前在工控行业广泛应用的可编程序控制器PLC，变频器，传感检测等设备，为学生构建、仿真工控系统搭建了一个平台。
2.1试验台原理分析
首先建立试验平台控制系统的理论模型。典型的控制系统由系统输入、控制部分、反馈元件和系统输出等组成。控制部分又分为开环系统和闭环系统两种。一般设备的电气控制系统由输入设备、逻辑控制和执行机构三部分组成，也可根据实际的生产机械或生产设备运行情况进行闭环控制。输入设备用于采集现场信号输送到系统，如开关、按钮、继电器－接触器触点、行程开关和传感器等装置；逻辑控制部分主要对输入信号进行逻辑转换和数据处理；转换之后的控制信号用于控制执行机构。逻辑控制部分可由继电器－接触器线路搭建或通过PLC编程实现。执行机构用于直接驱动负载，常见的有接触器、电磁阀、变频器、直流控制器和显示元件等。对于较复杂的控制系统可先利用仿真软件对控制系统各种运行状态进行仿真，然后根据实际情况选择最佳的控制方案。常用的仿真软件如MCGS、VisualGraph等。
2.2试验台结构
根据典型电气控制系统的基本原理及组成，试验系统的系统组成由控制面板（按钮、开关和指示灯等）、控制部分（继电器－接触器系统、PLC等）、执行部分（接触器、变频器等）、控制对象（电动机、显示器和机床动力头等）、计算机及相关软件组成。试验装置主要由三部分组成：以继电器－接触器为主的电气控制部分。通过按钮、开关、接触器、继电器和热继电器等电气元件的选择、布线、接线及调试，完成传统的继电器－接触器逻辑控制线路，实现不同的控制要求。如三相异步电动机的点动、长动、正反转、顺序起动和降压起动，以及机床执行部件的往复运动等控制功能。
基于PLC和变频器的电动机控制部分。通过计算机利用PLC的编程软件完成应用程序的设计，并下载到PLC中；构建PLC与变频器之间的连接（软件连接、硬件连接），并通过电动机相关量的检测装置（电压表、电流表和编码器等），对电动机的的运行状态进行实时监控或构建闭环控制系统。利用组态软件MCGS或VisualGraph完成对电气控制系统与PLC应用技术的仿真。通过仿真软件的编程，仿真控制线路中的各个开关、触点以及接触器线圈的逻辑关系，并可在仿真画面中较真实地显示控制面板；并且所有导线、继电器线圈、触点和开关等都可设置成不同的颜色以便区别。把组态软件和PLC连接起来，用组态画面实现各个开关、接触器等器件的动态显示，用PLC实现控制功能。至此，搭建综合试验平台的基本结构原型，由于系统地开放性和扩张，可以根据需要增加电气元件、执行部件和其他功能模块。
3基础实验案例设计
3.1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4个，空气开关1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。
3.2传统工业电气控制方式—继电器控制实验
目的是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CJX2－12101个，交流接触器CJX2－09102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。
3.3变频器控制实验
目的是掌握变频器的安装、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。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。
4拓展实验案例
4.1基于PLC的典型工业控制和数字保护实验
案例：以2台三相异步电动机顺序启动、逆序停止为例。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。
4.2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，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；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PORTO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。利用STEP7－Micro/win32进行编程，PLC的PORT1口用作程序下载口。
4.3典型工业监控实验
目的是掌握最基本的工业分散式控制系统DCS的组成与工业实现，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。实验目的是利用RS485将计算机、PLC、变频器级联在一起，实现分层控制。在利用PLC的总线模块控制变频器的基础上，在计算机上利用工业组态软件（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0～1410r/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。（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。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。
5试验装置的特点
（1）实践性强，提高学生动手能力。试验平台采用真实的电气元件或实际模型，直观性很强。如各种电动机、机械动力滑台，模拟机床动力滑台运转、快进、工进和快退等整个工件加工过程，学生通过对各类电器及电气元件的认识、接线和组装，可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。学生在这些具体线路的组装和调试中，需要进行大量的实际操作，从而提高了自身的动手能力和解决实际问题的能力。如电动机控制，首先要熟悉电动机控制原理图，绘制出电路图和接线图，然后完成线路的连接，再通电试验、调试，最后观察电动机的运转情况。通过计算机的软件编程完成PLC应用程序的设计，可以全面提高解决实际问题的能力。此外，利用仿真软件可以在更大范围内发挥学生的主观能动性，拓展控制系统模型的设计能力。（2）开放性好。培养综合素质和其他课程试验装置相比，此平台的电动机试验内容涉及面广，具有开放性和综合性的特点。试验平台还可根据不同试验要求，增加相应的功能。（3）创新性高，增强科研素养。试验平台具有很强的开放性，学生可以自由选题，自主设计，提高创新能力。另外，可以利用此试验装置进行控制系统的设计和仿真，最终应用到工程实践中。
6结束语
本文所述的电气控制综合试验平台设计成功后，已在某学院的现代电气控制综合实训室中投入使用。学生可在实验台上自主设计调试出各种电气控制线路和PLC应用程序，并且形象生动的看到实际的控制效果。实践证明，此实验运行正常，有很高的可靠性和安全性，为教学，实验和科研搭建了一个很好的平台。
参考文献：
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