电气控制综合实验平台的设计

摘要：针对机床电气控制、PLC、变频器等课程的综合实训，设计出开放性较强的电气控制综合控制实验平台，对其运用原理和结构组成进行了分析和探讨，并阐述了在实践教学和科研中的应用实例及其特点。

关键词：电气控制 可编程控制器PLC 变频器 MCGS

　　　　0 引言
　　　　本文介绍的电气控制综合实训实验平台，充分利用了电气、自动化、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，改变了原来的单一实验单一设备或单一课程单一实验装置的独立模式，同时也能适应以机床电气控制，PLC，变频器等课程为主的专业教学和综合实训的需要。

　　　　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。

　　　　1 实验台原理、结构

　　　　1.1 实验台原理分析 首先建立实验平台的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、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、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，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、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，Visual Graph等。

　　　　1.2 实验台结构 根据典型电气控制系统的基本原理及组成，实验系统的系统组成由控制面板（按钮、开关、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（电机、显示器、机床动力头等）、计算机及相关软件组成。

　　　　实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、热继电器等电器元件的选择，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、顺序启动、降压启动，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），并通过电机相关量的检测装置（电压表、电流表、编码器等），对电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Visual Graph完成对电气控制控制系统与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的显示控制面板；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，我们搭建综合实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、执行部件和其它功能模块。

　　　　2 设计实例

　　　　电气控制综合实验平台由电路接线面板、控制面板、执行元件、PLC、变频器及相关软件所组成。PLC选用欧姆龙公司的SYSMAC CP1H系列，4点开关量I/O输入输出，具有模拟量输入输出功能。变频器选用欧姆龙公司的开环矢量控制型变频器SYSDRIVE 3G3MZ系列，该系列变频器除可实现无传感器矢量控制的强大转矩对的丰富应用外，还搭载了RS485和DeviceNet PROfibus CANopen等其它可选件，能实现与可编程控制器PLC等上位机的连接，也方便完成通信系统的设计。CP1H配备了标准USB端口和两个串行通信接口（RS-232C和RS-485），利用USB端口与上位机通信，利用RS-485与变频器进行通信。

　　　　电路接线面板采用网孔板形式，电器元件的位置可以自行设计，给学生提供了更大的设计控制空间。实验台控制面板布置有红、绿、黄等指示灯和各种按钮，主要用于控制操作和指示。执行元件工作台提供各种执行元件，如三相异步电机、步进电机、伺服电机等各种电机和机床动力装置。

　　　　PLC程序设计采用OMRON公司的编程软件CX-Programmer，对于较复杂系统可利用组态软件MCGS完成电气控制与PLC应用技术的仿真。

　　　　3 实验装置的特点

　　　　3.1 实践性强，提高学生动手能力 实验平台采用真实的电气元件或实际模型，直观性很强。如各种电机、机械动力滑台，模拟机床动力滑台运转，快进，工进，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。如电机控制，首先要熟悉电机控制原理图，绘制出电路图和接线图，然后完成线路的连接，再通电实验，调试，最后观察电机的运转情况。

　　　　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更大范围的发挥学生的主动能动性，拓展控制系统模型的设计能力。

　　　　3.2 开放性好，培养综合素质 和其它课程实验装置相比，此平台的电机实验内容涉及面广，具有开放性和综合性的特点。实验平台还可根据不同实验要求，增加相应的功能。

　　　　3.3 创新性高，增强科研素养 实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。另外可以利用此实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。

　　　　4 结语

　　　　本文所述的电气控制综合试验平台设计成功后，已在我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

[1]吴仲伟.杨海东.基于PLC的机床电气控制综合实验平台的设计[J].机械工程师.2006.4:83-84. 免费论文下载中心 http://www.hi138.com
[2]霍俊仪.万东梅.电气控制与PLC应用技术仿真教学探讨[J].中国科技信息.2005.12:86.