劉元永，周恒超

(1.山東工業(yè)職業(yè)學院，山東 淄博 256414；2.山東商業(yè)職業(yè)技術學院，山東 濟南 255413)

適應現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)需求，培養(yǎng)具有機電一體化綜合技術能力的人才勢在必行。大專院校開設了大量相關專業(yè)，以高職為例，從高等職業(yè)教育專業(yè)設置備案結果查詢，2019年全國開設機電一體化技術專業(yè)的學校共1087所。各大專院校在機電類專業(yè)本科生中相繼開設了《機電控制技術》《計算機控制》《單片機原理及應用》等與機電一體化技術相關的課程[1]，在高職自動化類專業(yè)中開設《電機與控制》《PLC應用技術》《變頻器應用技術》《伺服驅(qū)動應用技術》《觸摸屏組態(tài)技術》等課程。這些課程具有很強的技術性和實用性，必須理論聯(lián)系實際，通過一系列的面向?qū)嶋H應用的軟硬件實驗，才能使學生獲取實用知識，取得理想的教學效果。但現(xiàn)有的實驗裝置功能不夠完善，學生在進行實驗時只能進行驗證性實驗，綜合性不強，不能滿足創(chuàng)新性實驗要求，也不能滿足當今實驗教學需求。商品化的教學儀器和實驗設備多按實驗臺或多功能試驗臺的模式開發(fā)，只能完成數(shù)量有限、功能固定的教學實驗，工程真實性差。例如，PLC實驗設備是由PLC和簡單的發(fā)光二極管(LED)構成，由LED的亮滅表示控制對象是否動作。這類實驗臺，教師在講解演示時，后面的學生看不到。為此，本文設計了一個能夠?qū)崿F(xiàn)自動化類多門課程的實驗實訓項目的實驗裝置，該實驗裝置即能夠方便教師拖到教室完成理論課堂的上課講解演示實驗，又能夠固定在實驗實訓室方便學生實驗實訓。

1實驗裝置研制

1.1機械結構

實驗裝置由底座、支架、支架上的控制箱、裝在控制箱里的電器和底座上的電動機、絲杠、編碼器等有機構成。機械結構如圖1所示。

圖1 機械結構圖

機械結構主要包括底座(1)、固定在底座上端的輔助支架(2)以及與輔助支架連接的控制箱(3)。

底座包括：帶自鎖結構腳輪(11)、輔助地腳(12)，方便拖動和固定。底座上面可以安裝三相異步電動機、裝有伺服電機或步進電機的絲杠等負載和編碼器等傳感器。

輔助支架包括：安裝在輔助支架內(nèi)拉桿(21)，拉桿與輔助支架之間設置有自鎖結構，當拉桿帶動控制箱升高到不同高度可鎖住，方便教師演示、學生觀察和安裝實訓；拉桿上端設置有用來拖動的把手；輔助支架上設置有滑軌(22)，滑軌上安裝控制箱。

控制箱包括：箱體、箱門(34)、連桿(33)、鉸鏈(35)、插銷(32)等。箱門可以在4根連桿的支撐下平移上升打開，并用插銷固定，方便學生觀察內(nèi)部。呈“L”型的連接桿(31)一端連接箱體上端，另一端連接拉桿上端，拉桿通過連接桿帶動控制箱沿滑軌上下滑動。

1.2 電氣系統(tǒng)

根據(jù)電機與控制、PLC、變頻器、伺服驅(qū)動、觸摸屏等相關課程的要求，搭建實驗裝置的電氣控制系統(tǒng)。圖2所示為系統(tǒng)的整體結構框圖。

圖2 電氣系統(tǒng)框圖

控制箱內(nèi)部的安裝板上可以根據(jù)不同課程的需要，模塊化的選擇按裝斷路器、直流繼電器、交流接觸器、時間繼電器、開關電源、PLC、變頻器、伺服驅(qū)動器、步進驅(qū)動器、端子排等?？刂葡溟T上方孔內(nèi)安裝觸摸屏，圓孔內(nèi)安裝指示燈和主令電器。安裝了部分實物電氣設備的控制箱如圖3所示。

圖3 控制箱電氣設備示意圖

2實驗項目開發(fā)

根據(jù)職業(yè)院校機電一體化技術專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程標準中對于電機與控制、PLC、變頻器、伺服驅(qū)動技術、觸摸屏等課程的知識及技能的要求，本裝置可以實現(xiàn)上述課程的絕大部分教學演示實驗和學生實驗實訓。因篇幅限制，下面簡述實驗裝置能開展的演示實驗和實訓項目，僅就伺服驅(qū)動器速度控制展開論述。

2.1 電機與控制類課程

2.1.1 低壓電器認知

控制箱門上安裝常用的按鈕、開關、電位器等主令電器和指示燈等。控制箱內(nèi)部的DIN導軌上安裝低壓斷路器、交流接觸器、直流繼電器、熱繼電器、熔斷器等保護和控制電器。這些電器在實驗裝置上方便教師演示和學生安裝實訓。

2.1.2 繼電器控制三相交流異步電動機

控制箱用單相220V輸入變頻器方便地將單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟?，在沒有三相電的教室也可實現(xiàn)用繼電器控制三相交流異步電動機實現(xiàn)點動運行、連續(xù)運行、兩地控制、正反轉、Y-△啟動、能耗制動，還可以模擬電動葫蘆、銑床、鏜床等。

2.2 PLC課程

2.2.1 PLC控制三相異步電動機

在裝置上選裝PLC、低壓斷路器、熔斷器、交流接觸器、按鈕、急停開關、開關電源、熱繼電器、三相異步電動機。實現(xiàn)PLC控制三相異步電動機點動運行、連續(xù)運行、正反轉、順序啟停、兩地控制、降壓啟動、能耗制動等。

2.2.2 PLC功能指令控制指示燈

控制箱門的指示燈可以模擬十字路口交通燈、噴泉、天塔之光、流水燈等，實現(xiàn)PLC功能指令的演示和實訓，配合觸摸屏顯示更逼真。

2.2.3 編碼器、PLC高速計數(shù)器應用

在教具上選裝開關電源、PLC、編碼器、電動機，可以實現(xiàn)檢測位置和轉速等實驗實訓項目。

2.3 變頻器課程

在裝置上選裝變頻器、PLC、電動機和其他外圍設備可以實現(xiàn)變頻器的面板控制與監(jiān)控，端子控制變頻器點動運行、正反轉運行、多段速運行、模擬量給定頻率，PLC通信控制變頻器。

2.4 觸摸屏課程

在控制箱門安裝的觸摸屏與控制箱里的PLC通信可以實現(xiàn)觸摸屏課程的教學演示或?qū)W生組態(tài)實訓，還可以實現(xiàn)觸摸屏、PLC和變頻器的綜合實驗實訓項目。

2.5 伺服驅(qū)動課程

現(xiàn)有伺服運動控制的實驗裝置較少，在本裝置的控制箱中安裝伺服驅(qū)動器、步進驅(qū)動器、PLC等，在裝置底座上安裝研制的電機拖動的絲杠系統(tǒng)，如圖4所示。圖中電機為伺服電機還可以換裝步進電機，實現(xiàn)伺服和步進的位置控制，模擬機床工作臺的運動。能夠?qū)崿F(xiàn)伺服驅(qū)動器面板控制、速度控制和轉矩控制。

圖4 伺服拖動系統(tǒng)

本文選用臺達ASD-B2伺服驅(qū)動器、S7-200 SMART SR40 PLC、MCGS觸摸屏、編碼器，簡述伺服速度控制實驗項目開發(fā)。伺服驅(qū)動器外部端子配合內(nèi)部參數(shù)實現(xiàn)多段速，PLC高速計數(shù)器計數(shù)編碼器的脈沖數(shù)，PLC編程計算轉速并在觸摸屏實時顯示，計算結果與伺服驅(qū)動器面板顯示的轉速比較驗證。

2.5.1 實驗目的

分配PLC I/O地址，畫出電氣接線原理圖，完成電氣接線；設置伺服驅(qū)動器參數(shù)；組態(tài)觸摸屏與PLC通信設備窗口和用戶窗口等；編寫、調(diào)試PLC高速計數(shù)器、數(shù)值運算轉換程序，計算轉速。

2.5.2 實驗內(nèi)容

參考圖5電氣接線原理圖，完成電氣接線。

圖5 電氣接線原理圖

臺達伺服速度控制參數(shù)如表1所示，由于伺服電機拖動絲杠且長度較短，我們設置轉速低一些。

表1 臺達伺服速度控制參數(shù)表

用MCGS組態(tài)軟件組態(tài)觸摸屏窗口，如圖6所示。

圖6 電腦模擬運行的觸摸屏組態(tài)窗口

編碼器的分辨率為1000，用STEP 7-MicroWIN SMARTPLC編程軟件編寫PLC控制程序，高速計數(shù)器用向?qū)?，采?倍頻，電機轉速計算程序如圖7所示。

修改電機轉速設定值，取多組實驗數(shù)據(jù)，觀察伺服驅(qū)動器面板和觸摸屏顯示的電機轉速的實時數(shù)據(jù)、實時曲線、歷史曲線、歷史報表，可以發(fā)現(xiàn)電機轉速低于10r/min時，檢測數(shù)值基本不變，大于100r/min時轉速圍繞設定值上下波動穩(wěn)定運轉。分析實驗結果，本文采用伺服電機軸端的編碼器分辨率為160000，伺服驅(qū)動器控制電路處理編碼器反饋的脈沖數(shù)，采用PID控制電機實現(xiàn)恒速轉動。PLC所接編碼器的分辨率為1000，結合定時器計算轉速，在硬件和算法上導致精度比伺服驅(qū)動器低，修改定時的設定值可以縮短檢測時間減小誤差。

3 結束語

實踐證明，本實驗裝置功能完備，操作簡單，內(nèi)容豐富，現(xiàn)已開發(fā)出30多項演示實驗和實訓項目。實驗裝置提供了開放的平臺，師生可以靈活選擇軟、硬件組裝在裝置上，大大提高了學生的學習興趣、創(chuàng)新能力和動手能力。攜帶本實驗裝置上下樓梯稍微吃力，還需改進腳輪或輕量化。

圖7 電機轉速計算程序