◆鄭劍 張澧生 張華

作者：鄭劍，博士研究生，講師、工程師，湖南機電職業(yè)技術學院電氣工程學院，湖南大學電氣與信息工程學院，研究方向為電氣傳動系統(tǒng)故障診斷與容錯控制，從事電氣自動化、機電一體化的教學科研與工程應用工作；張澧生、張華，湖南機電職業(yè)技術學院電氣工程學院（410151）。

變頻器是工業(yè)自動化領域的重要電氣設備，隨著技術的發(fā)展和價格的降低，其應用日益廣泛。目前高職電氣自動化技術、機電一體化技術、電機與電器（電力電器技術方向）等專業(yè)均將“變頻器應用技術”列為核心課程，培養(yǎng)能力主要側重于變頻器的參數設置、外部控制電路的連接與調試[1]。變頻器的外部控制端子有模擬端、數字端、通訊端三種。前兩種是重點和經典教學內容[2]，第三種即變頻器通訊控制，由于涉及的知識面與技能點較多，一直是教學難點，在以往教學中常常省略不講或簡單介紹一下，讓學生知道有這么回事即可。

在工程與科研實踐中深刻體會到，變頻器通訊控制是調速電氣傳動系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。因此，為了讓學生適應技術的發(fā)展趨勢，課程教學中不應該回避這一教學難點。如何將教學難點化難為易，使學生理解并掌握變頻器通訊控制的基本知識和技能？這是一直在思考與探索的問題。在教學實踐中，綜合變頻器、可編程控制器（以下簡稱PLC）、單片機三門專業(yè)課程，設計開發(fā)兩個基本教學項目，即PLC通過串口控制變頻器、單片機通過串口控制變頻器。在教學過程中采用比較教學法，將兩個項目從硬件電路、參數設置、軟件編程、安裝調試等方面進行比較，取得較好的教學效果。

1 教學項目的設計

設計教學項目時，主要考慮三點原則[3]。

一是要有工程背景。項目教學內容來自工程實際中的成熟產品和常見任務；市場占有率不大或技術瀕臨淘汰的產品、上市不久的前沿概念產品一般不納入教學內容。

二是要適合課堂教學。有的實際產品或任務可以直接在課堂上制作、訓練，但也有很多并不適合在課堂直接教學，因此需要對實際產品或任務進行處理，“抓住主要矛盾，忽略次要矛盾”，設計開發(fā)出適合課堂教學和學生學情的典型項目、典型任務。

三是要有可比性。這是在設計教學項目時追求的一個特色，項目與項目之間力求“同中見異，異中見同”，具有可比性。這樣在教學過程中可采用比較教學法，使學生更好地認識和把握事物的本質。

基于上述原則，設計兩個具有可比性的教學項目：PLC通過串口控制變頻器、單片機通過串口控制變頻器。

項目一的教學裝置如圖1所示，變頻器選用西門子MM420通用型，PLC選用西門子S7-200/CPU226，變頻器的14、15號端子通過雙絞線與PLC通訊口（RS485口）的第3針、第8針相連[4]。為了減輕變頻器的干擾，將PLC的接地端用一根短而粗的電纜連接到變頻器的接地端。為防止信號反射，工業(yè)環(huán)境下需要裝設終端電阻、偏置電阻，課堂教學環(huán)境下為簡單起見，可以不用這些電阻，并不影響通訊效果。為便于課堂教學，控制任務剛開始宜簡不宜繁，因此采用兩個按鈕遠程控制變頻器的啟動和停止。SB1、SB2是自復型按鈕開關，按下SB1，變頻器收到啟動命令，輸出頻率由0 Hz斜坡上升至50 Hz，電機運行；按下SB2，變頻器收到停止命令，輸出頻率由50 Hz斜坡下降至0 Hz，電機停止。電機銘牌數據為：額定功率60 W，額定電壓380 V，額定電流0.35 A，額定頻率50 Hz，額定轉速1440 r/min。

圖1 PLC通過串口控制變頻器的硬件電路

項目二的教學裝置如圖2所示，變頻器側的主電路與圖1相同，控制電路中用單片機替代PLC，選用AT89C51。由于變頻器14、15號端子是RS485電平，而單片機10、11號引腳是TTL電平，因此兩者之間需要電平轉換，這里選用MAX485芯片[7]。MAX485的1、8號腳是信號傳輸端，需要連接兩個120 Ω的電阻[5]。控制任務與項目一相同，K1是啟動鍵，K2是停止鍵，都是自復型按鍵。

圖2 單片機通過串口控制變頻器的硬件電路

2 教學項目的比較

俄國教育家烏申斯基認為：“比較是一切理解和思維的基礎，我們正是通過比較來了解世界上的一切。”在項目教學過程中，引入比較教學法，將后續(xù)項目與前導項目進行比較，找出異同，可以使學生原有的知識與技能更加深刻、牢固，新獲得的知識與技能更加鮮明、準確。下面將兩個項目從硬件電路、參數設置、軟件編程、安裝調試等方面進行比較。

硬件電路 變頻器課程一般開設在PLC課程、單片機課程之后，有了前導課程的鋪墊，面對教學裝置，學生能夠說出兩個項目在硬件電路方面的異同。系統(tǒng)的主電路相同，控制電路有所不同，但控制任務相同。教學過程中教師可適時要求學生將PLC硬件方案改造成單片機硬件方案，并畫出硬件接線圖。

所有的西門子變頻器都采用RS485硬件，可將RS485接口與RS232接口進行比較。通過比較，學生認識到，RS232既是電氣標準又是物理標準，因此接口的引腳定義是全球統(tǒng)一的；而RS485僅是電氣標準不是物理標準，因此接口的引腳定義不是統(tǒng)一的，各個廠家不盡相同。

參數設置 兩個項目的變頻器、電機、控制任務、通訊協(xié)議都相同，因此，MM420變頻器的參數設置亦相同，見表1。表1中P2009～P2014是通訊參數，要求學生“知其然，知其所以然”。雖然P2009～P2014的設置值與缺省值基本相同，也要求學生動手設置一遍，調出參數號，更改設定值，回到缺省值，通過這樣的操作達到“知其然”的目的。為了“知其所以然”，需要結合軟件編程來理解。

軟件編程 西門子變頻器所采用的通用串行接口協(xié)議（簡稱USS協(xié)議）被學生稱為“難點中的難點”，主要難在報文結構與數據含義。通過比較兩個項目的軟件編程，可以有效理解這一“難中之難”。

項目一在上位機中采用STEP7-Micro/Win（含USS指令庫）編程軟件，項目二采用Keil μVision編程軟件，兩個軟件在前導課程中均已使用過。項目一用到USS_INIT和USS_CTRL兩條USS協(xié)議指令，采用梯形圖，具有面向對象的編程特點，程序中的波特率、變頻器地址應與參數號P2010、P2011一致，PLC的梯形圖程序詳見附錄1（略）。項目二則具有面向過程的編程特點，需要結合參數號P2012、P2013深入理解啟動、停止變頻器的報文數據，對于初學者有難度。單片機的程序框圖如圖3所示，詳細的C語言源程序見附錄2（略）。為了將教學難點分散，程序框圖剛開始應盡量簡單，因此沒有檢測變頻器的應答報文，這些內容可以安排在拓展項目中進行。

表1 MM420變頻器的參數設置

安裝調試 系統(tǒng)在安裝調試過程中的一般注意事項應嚴格按照廠家提供的技術文檔，譬如變頻器主線路的屏蔽層須兩端都接地，控制線路的屏蔽層只能一端接地[4]。

變頻器側主電路屬“強電”，若程序存在問題，容易造成設備損毀和人員傷害。因此在下載、運行程序前，要求必須認真全面檢查程序，確定準確無誤時才能運行程序，最好先進行通訊仿真。項目一的STEP7-Micro/Win軟件不能仿真，可采用支持USS協(xié)議的S7-200仿真軟件，這類軟件目前市場有供。項目二的Keil μVision軟件可以仿真調試。在軟硬件聯調時，兩個項目都可用示波器觀測變頻器通訊端子的波形，以更好地通過比較來理解報文數據和檢測故障[6]。

3 教學項目的拓展

上述兩個教學項目的硬件電路與控制任務都較為簡單，涉及變頻器通訊控制的基本知識與技能，不妨稱為基本項目?？蓪⒒卷椖窟M行拓展，形成多個拓展項目。譬如，將單臺變頻器增加至兩臺，其他條件不變；將西門子變頻器改成三菱變頻器，相應地西門子PLC也改成三菱PLC，其他條件不變；控制任務不僅有電機的啟保停，還有電機的正反轉、加減速等。

拓展項目也可以實施比較教學，與基本項目進行比較。實踐表明，在基本項目的基礎上，適時適當地進行一些拓展項目的教學，很有好處。

1）學生在基本項目中涉及的基本知識與技能，在拓展項目中又會訓練一遍。眾所周知，職業(yè)技能的掌握需要“重復訓練，刻意練習”。

2）拓展項目更接近工程實際，可以讓學生零距離接觸真實職業(yè)任務，提高專業(yè)綜合應用能力。

3）拓展項目中的任務解決方案，沒有唯一答案，“仁者見仁，智者見智”，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維與創(chuàng)新精神，這一點對于基礎較好、學有余力的學生而言，好處尤為明顯。

經過筆者對“變頻器應用技術”課程幾輪的教學，將項目比較教學引入到理實一體化課堂教學中，取得良好的教學效果，學生能夠較好地理解并掌握變頻器通訊控制的基本知識和技能，并可進一步提高專業(yè)綜合應用能力。教學實踐表明，精細化設計項目教學內容、實施項目比較教學是高職專業(yè)課程的有效教學策略。■

[1]成立平.高職專業(yè)人才精細化培養(yǎng)研究[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[2]楊翠明,謝承力.機電類高職院校辦學特色研究[J].教育與職業(yè),2008(21):47-49.

[3]教育部職業(yè)教育與成人教育司.高等職業(yè)學校專業(yè)教學標準（試行）:制造大類[S].北京:中央廣播電視大學出版社,2012.

[4]西門子（中國）有限公司.MICROMASTER 420通用型變頻器用戶手冊[EB/OL].http://www.ad.siemens.com.cn/products/sd.

[5]謝芳芳,鄭劍.高職電氣自動化技術專業(yè)單片機課程教學改革探討[J].中國電力教育,2014(15):58-60.

[6]鄭劍,李中群,何怡剛.開關電源電容器的軟故障特征參數提取與預測[J].計算機測量與控制,2014,22(2):329-331.