董改花，曹新東

基于MCGS的“變頻調(diào)速技術(shù)”虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

董改花，曹新東

針對(duì)高職機(jī)電類專業(yè)設(shè)備投資大、維修費(fèi)用高的現(xiàn)象，利用組態(tài)MCGS，開(kāi)發(fā)適用于高職的變頻調(diào)速技術(shù)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了每個(gè)項(xiàng)目的具體步驟。此平臺(tái)成本低，操作簡(jiǎn)單，具有很好的擴(kuò)展性。

高職；虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；變頻調(diào)速技術(shù)；工業(yè)組態(tài)MCGS

一、問(wèn)題的提出

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，“變頻調(diào)速技術(shù)”課程已經(jīng)成為高職機(jī)電類專業(yè)的一門主干核心課程?！白冾l調(diào)速技術(shù)”是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，應(yīng)該多開(kāi)設(shè)一些與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，需要搭建一個(gè)良好的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。而由于資金、價(jià)格、設(shè)備、場(chǎng)所等各方面條件限制，各學(xué)校難以投入大量工控設(shè)備構(gòu)建真實(shí)企業(yè)場(chǎng)景的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。目前，各學(xué)校所采用的變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)基本上分為兩類。一類是簡(jiǎn)易的變頻器實(shí)訓(xùn)箱，此實(shí)訓(xùn)裝置沒(méi)有真實(shí)的被控對(duì)象，學(xué)生通過(guò)觀察指示燈的亮滅與變頻器有無(wú)頻率顯示來(lái)判斷程序的運(yùn)行狀況，學(xué)生很難理解控制過(guò)程，程序出了問(wèn)題很難找到具體原因。這種實(shí)訓(xùn)平臺(tái)對(duì)學(xué)生編程結(jié)果表現(xiàn)不明顯、不直觀。學(xué)生只能憑空想象被控對(duì)象的工作過(guò)程，無(wú)法看到實(shí)際的運(yùn)行效果，很大程度上影響到了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性。此外此種變頻調(diào)速實(shí)訓(xùn)平臺(tái)容易造成接錯(cuò)線等不當(dāng)操作，導(dǎo)致維修成本高、安全隱患大等問(wèn)題，而且對(duì)于復(fù)雜的控制模型比較難實(shí)現(xiàn)。另一類是教學(xué)設(shè)備廠商開(kāi)發(fā)的特殊企業(yè)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，例如亞龍、天煌等公司開(kāi)發(fā)的微型實(shí)訓(xùn)設(shè)備，很好的反映了工業(yè)真實(shí)情景，教學(xué)效果不錯(cuò)。但是，此類設(shè)備造價(jià)昂貴，有的一套要數(shù)萬(wàn)元，有的甚至要十幾萬(wàn)元，而且后期維護(hù)費(fèi)用也高、占地面積一般較大。學(xué)校很少投資，即使投入了也不能夠保證人手一機(jī)的操作訓(xùn)練。

針對(duì)以上“變頻調(diào)速技術(shù)”實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的現(xiàn)狀，一種既能很好的展現(xiàn)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)情景，又能不增加硬件成本支出的“變頻調(diào)速技術(shù)”課程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，顯得非常具有實(shí)際意義。

二、虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件選擇

組態(tài)軟件產(chǎn)品出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代初，我國(guó)是上世紀(jì)90年代引入的。由于組態(tài)軟件具有圖像顯示、動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、報(bào)表輸出等各種功能，能滿足用戶各種需求，目前已經(jīng)廣泛用于各種工業(yè)控制中。［1］但組態(tài)軟件在仿真教學(xué)系統(tǒng)［2］的應(yīng)用是從2002年開(kāi)始的，研究應(yīng)用領(lǐng)域大多是對(duì)PLC課程實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)方面，［3］此外，還有部分是對(duì)PLC通信方面的研究。［4］然而，在現(xiàn)有的參考文獻(xiàn)中，還體現(xiàn)以下兩方面的不足。（1）選用的控制工程不全面，開(kāi)關(guān)量控制較多，對(duì)模擬量的控制幾乎沒(méi)有。（2）系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能并沒(méi)有充分發(fā)揮組態(tài)軟件的全面功能，在系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能及網(wǎng)絡(luò)功能方面研究不多，應(yīng)用功能沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

目前還沒(méi)有將組態(tài)軟件應(yīng)用于對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)課程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。本文擬將組態(tài)軟件設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的方法應(yīng)用于變頻調(diào)速技術(shù)課程中，而且針對(duì)PLC課程應(yīng)用中出現(xiàn)的不足予以彌補(bǔ)，本系統(tǒng)新增模擬量工業(yè)控制場(chǎng)景及實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，本文選用了工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛的MCGS軟件。

三、虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)訓(xùn)主平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)變頻調(diào)速技術(shù)課程大綱及高職學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和能力要求設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。將基于工業(yè)組態(tài)MCGS的“變頻調(diào)速技術(shù)”實(shí)訓(xùn)平臺(tái)分為2個(gè)部分，分別為基本技能實(shí)訓(xùn)模塊、應(yīng)用提高實(shí)訓(xùn)模塊。第一部分基本訓(xùn)練模塊包括5個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目：實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目一：變頻器FR-D700外部端子點(diǎn)動(dòng)控制；實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目二：變頻器FR-D700控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目三：變頻器FR-D700多段速度選擇變頻器調(diào)速；實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目四：變頻器FR-D700無(wú)級(jí)調(diào)速；實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目五：外部模擬量（電壓/電流）方式的變頻調(diào)速控制。第二部分應(yīng)用提高訓(xùn)練模塊包括6個(gè)項(xiàng)目。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主界面如圖1所示。

圖1　“變頻調(diào)速技術(shù)”課程實(shí)訓(xùn)主平臺(tái)

（二）單個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)

現(xiàn)以其中一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目三“變頻器FR-D700多段速度選擇變頻器調(diào)速”為例，闡述項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1.確定被控對(duì)象及控制功能。變頻器FRD700多段速度選擇變頻器調(diào)速實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要求：（1）學(xué)生能正確設(shè)置變頻器輸出的額定頻率、額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速。（2）通過(guò)外部端子控制電機(jī)多段速度運(yùn)行，開(kāi)關(guān)“K2”、“K3”、“K4”、“K5”按不同的方式組合，可選擇15種不同的輸出頻率，分別為5Hz、10Hz、15Hz、18Hz、20Hz、23Hz、29Hz、32Hz、35Hz、38Hz、41Hz、44Hz、47Hz、50Hz。（3）運(yùn)用操作面板設(shè)定電機(jī)運(yùn)行頻率、加減速時(shí)間。

2.仿真動(dòng)畫(huà)靜態(tài)界面設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目控制要求，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)靜態(tài)界面如圖2所示。

圖2　項(xiàng)目三虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

3.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目控制要求，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)靜態(tài)界面要建立變量。

4.靜態(tài)畫(huà)面及腳本程序的編寫(xiě)。變頻器FRD700多段速度選擇變頻器調(diào)速實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目靜態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)好之后，要運(yùn)行起來(lái)還需要循環(huán)動(dòng)態(tài)腳本。具體腳本編寫(xiě)應(yīng)該按照K2、K3、K4、K5動(dòng)作的順序編寫(xiě)。

5.設(shè)備通訊聯(lián)機(jī)調(diào)試。首先，實(shí)訓(xùn)前對(duì)該變頻器參數(shù)在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上逐一進(jìn)行設(shè)置。

當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕K1，電機(jī)啟動(dòng)，Run運(yùn)行監(jiān)視指示燈亮。當(dāng)按下頻率給定按鈕K2、K3、K4、K5時(shí)，電機(jī)按照指定頻率運(yùn)行。K2、K3、K4、K5不同組合將有不一樣的運(yùn)行頻率。

當(dāng)按下K1、K4時(shí)，電機(jī)運(yùn)行指示10Hz，電機(jī)運(yùn)行指示燈Run變亮，同時(shí)電機(jī)運(yùn)行標(biāo)志燈變綠。調(diào)試如圖3所示。當(dāng)按下K1、K4、K3時(shí)，電機(jī)

圖3　按下K1、K4時(shí)第2速調(diào)試圖

運(yùn)行指示18Hz，電機(jī)運(yùn)行指示燈Run變亮，同時(shí)電機(jī)運(yùn)行標(biāo)志燈變綠。調(diào)試如圖4所示。

圖4　按下K1、K3、K4時(shí)第4速調(diào)試圖

四、總結(jié)

基于組態(tài)軟件MCGS的變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，是將PLC、變頻器、組態(tài)MCGS有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，利用工業(yè)組態(tài)MCGS軟件模擬多種變頻控制對(duì)象，在上位機(jī)計(jì)算機(jī)屏幕上以動(dòng)畫(huà)的形式再現(xiàn)變頻控制系統(tǒng)的工作過(guò)程。學(xué)生不需要實(shí)物，僅需要與上位機(jī)通過(guò)RS-232連接就可檢驗(yàn)所編程序是否正確。

（一）有利于降低教學(xué)成本

此系統(tǒng)不需要在另外增加任何硬件資源的情況下，可以構(gòu)建各種變頻工業(yè)控制情景。利用上位機(jī)的組態(tài)畫(huà)面仿真變頻控制系統(tǒng)，避免了實(shí)訓(xùn)中變頻器與控制對(duì)象的硬件接線，減少了實(shí)訓(xùn)中的硬件故障率和材料耗損，有效地降低了教學(xué)成本。

（二）有利于設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

此系統(tǒng)擴(kuò)充及更新實(shí)訓(xùn)內(nèi)容模板極為方便，只需更改軟件。實(shí)訓(xùn)中，可通過(guò)編寫(xiě)不同的控制程序?qū)崿F(xiàn)不同的控制要求，而不用改變復(fù)雜的硬件接線。因此，本系統(tǒng)具有較好的開(kāi)發(fā)柔性與擴(kuò)展性。

（三）有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性

本控制系統(tǒng)畫(huà)面生動(dòng)逼真，學(xué)生在調(diào)試程序階段能更好的觀測(cè)變頻控制對(duì)象的動(dòng)作過(guò)程，控制效果形象生動(dòng)，學(xué)生易于理解，極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。能夠培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，有效提高學(xué)習(xí)效果。

［1］朱曉華，馮玉田，章玉鑒.基于組件技術(shù)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)方法的研究［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999（4）：357-361.

［2］尹愛(ài)軍，楊正益，孫麗萍，等.虛擬儀器開(kāi)發(fā)中功能組態(tài)設(shè)計(jì)［J］.振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2010（2）：193-196.

［3］金亞玲，劉義杰，鄭志廣.淺談組態(tài)軟件在PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)［J］.企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2011（17）：238-240.

［4］王寶林.基于組態(tài)軟件的全虛擬PLC教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2014（8）：42-45.

［責(zé)任編輯陳國(guó)平］

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃一般項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201512685001Y）；江蘇省高等職業(yè)院校國(guó)內(nèi)高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2015FX068）；蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育教學(xué)研究重點(diǎn)課題（項(xiàng)目編號(hào)：201505）

董改花，女，蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化教學(xué)。

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1674-7747（2016）21-0067-02