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摘要：“电气控制及可编程控制技术”是电气工程及其自动化专业一门重要的专业课，实验教学环节的设计一直是该课程的重点和难点。结合电气工程及其自动化专业其他专业课程知识内容，依托、利用这些课程专业实验室现有设备，开发一些融合多课程知识的PLC综合、设计性实验项目，给出每个实验项目的实验任务、实验方案、硬件电路设计、软件设计思想和系统调试要求。通过这些实验项目可将多课程知识内容有机地融合在一起，培养学生PLC综合设计与应用能力。
关键词：电气控制；可编程控制器；综合设计；实验；知识融合
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）26-0072-02
“电气控制及可编程控制技术”是中国石油大学（华东）（以下简称“我校”）电气工程及其自动化专业的一门重要的专业课，是一门实践性和应用性都很强的课程。[1，2]我校电气工程系专业实验室有PLC控制实验室，该实验室配有30套S7-200 PLC主机、EM235模拟量输入/输出模块等实验设备，对于一些基本、简单的实验项目可以进行，但对一些综合设计性实验项目较难实现，一方面实际被控对象难以构建，[3，4]另一方面虚拟实验又难以达到应有的教学效果，成为教学的难点。为此，结合直流调速、交流调速等电气工程及其自动化专业其他专业课程的知识内容，依托、利用这些课程专业实验室现有设备，开发一些融合多课程知识的PLC综合设计性实验项目，一方面可有机地将多课程知识内容融合在一起，[5]另一方面又能很好地完成“电气控制及可编程控制技术”课程实验教学，实现资源共享。
一、基于PLC和变频器的交流电机变频调速控制实验
交流调速实验室配有富士变频器、三相异步电动机等实验设备。借助于这些实验设备，可开发基于PLC和变频器的交流电机变频调速实验项目。
1.异步电动机开环变频调速控制
（1）实验任务。实现异步电动机的多档变频调速控制；完成电动机的转速定量测量和波形显示；实现电机正反转控制。
（2）实验方案设计。1）富士FRN2.2G9S变频器具有多步速输入端子X1、X2、X3，根据X1、X2、X3通断状态的不同组合可设定出7种不同的速度，多步速输入端子与S7-200 PLC的输出端子相连，通过编制PLC控制程序，控制对应输出端的导通和关断，从而控制变频器的多步速输入端子的通断，实现异步电动机的多档变频调速控制。2）异步机同轴联接测速发电机，将电机的转速信号转换为0-10V的电压信号，利用S7-200 PLC的模拟量输入/输出模块EM235对转速信号进行A/D转换，实现电机转速的定量测量，并借助于组态软件实现对电机转速的波形显示。3）将PLC的某二个输出端分别与变频器的正、反转控制输入端子FWD、REV相连。通过编程实现电机的正反转控制。
（3）硬件电路设计及搭建。根据控制任务及S7-200 PLC的I/O点数进行I/O分配，设计硬件电路并进行搭建。硬件电路设计可参考图1所示电路，I0.2接系统起动按钮SB1，I0.3接系统循环控制按钮SB2。PLC的三个输出端子Q0.1、Q0.2和Q0.3分别与变频器的多步速输入端子X1、X2、X3相连，通过编程改变输出继电器Q0.1、Q0.2和Q0.3的状态，实现变频器输入端子X1、X2、X3的通断状态的不同组合，设定出7种不同的速度，每种速度对应的频率值预先设定在变频器中。Q0.4、Q0.5分别与变频器的正、反转控制输入端子FWD、REV相连。将测速发电机输出的电压信号接至EM235的模拟量输入通道。为使变频器受控于PLC按照程序运行，在运行前须对变频器的功能进行相应设定。
（4）软件设计思想。软件设计可采用多种编程方法，可利用S7-200 PLC的基本指令来实现，也可利用步进指令来完成。利用步进指令设计时，每一速度控制对应一个步进段，进入对应的步进过程时，可利用置位、复位指令或输出指令让对应的输出继电器Q0.1、Q0.2、Q0.30接通或关断，同时起动定时器开始计时，待定时器定时时间到后，转入下一步进控制过程，以此类推，每档速度运行时间由各个定时器来控制。利用EM235模拟量单元实现转速测量。电机正、反转控制通过软件编程来实现，Q0.4导通时，电机正转，Q0.5导通时，电机反转，注意在进行程序设计时Q0.4和Q0.5要加互锁环节，防止正、反转同时进行。
（5）系统调试要求。波形记录异步电动机的多档变频调速实验结果。
2.异步电动机闭环变频调速控制
（1）实验任务。1）实现异步电动机闭环变频调速。2）完成电动机的转速定量测量和波形显示。3）实现电机的正反转控制。
（2）实验方案设计。控制系统构成框图如图2所示。旋转编码器与电机同轴连接，将异步电机的转速信号变换为脉冲信号，利用PLC的高速计数器进行测量，此信号作为检测到的速度反馈信号，速度给定信号与反馈信号相减得到偏差e（n），经过PLC的PID运算，得到控制量，此控制量再经PLC D/A转换模块变为模拟量，经PLC的模拟输出通道送至变频器的模拟量输入端子，进而控制电机的转速。选用S7-200 PLC模拟量输入/输出模块EM235实现系统相应的D/A转换。将PLC的某二个输出端分别与变频器的正、反转控制输入端子FWD、REV相连。通过编程实现电机的正反转控制。借助于组态软件实现对电机转速的波形显示。
（3）软件设计思想。根据控制任务进行I/O分配，选择高速计数器编号、工作模式、输入点的配置。基于M测速方法实现对电机转速的测量。利用S7-200 PLC提供的PID功能指令[6]完成PID控制算法，算出该采样周期PID调节器的输出值P（n），然后将运算结果通过PLC的D/A转换模块，经模拟量输出通道送至变频器的模拟量输入端子，控制电机的转速。电机正、反转控制通过软件编程来实现，根据不同的条件给出对应的正、反转控制信号。根据I/O分配，当某输出继电器导通时，电机正转，另一输出继电器导通时，电机反转，同样，两输出继电器一定要加互锁环节，防止正、反转同时进行。在执行PID指令前，首先应构建PID控制回路表，将控制回路表中有关参数按照地址偏移量写入相应的变量寄存器。采用调用子程序的方法，在子程序中，对PID参数进行初始化处理。 （4）系统调试要求。将电机转速给定值设定在某一值，观察电机的稳定运行情况；转速阶跃响应实验；改变负载响应实验。[7]
二、基于PLC的直流电机PWM调速控制实验
直流调速实验室配有直流电动机、测速装置等实验设备。借助于实验设备可开发基于PLC的直流电机调速控制实验项目。
1.直流电机PWM开环调速控制
（1）实验任务。实现直流电机的PWM开环调速控制；利用旋转编码器测量直流电机的转速信号，实现电动机的转速定量测量和波形显示。
（2）实验方案设计。PWM变换器采用双极式可逆PWM变换器，[8]其主电路如图3所示。在双极性工作制下，PWM变换器的四个大功率晶体管IGBT分成两组，晶体管VT1、VT4与晶体管VT2、VT3交替导通和截止。在每个PWM周期的期间，Ug1、Ug4为正，正组晶体管VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，直流电机两端电压；在期间，反组晶体管VT2、VT3导通，电机两端电压。
一个 PWM周期内电机承受的电枢电压平均值为：
（1）
令为占空比，其调节范围为0～1。可见，双极性驱动时，通过调节占空比d即可实现PWM调速。当d>0.5时，电机正转；d<0.5时，电机反转；d=0.5时，电机停止运行，此时直流电机电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压。
IGBT是电压驱动型器件，选用集成驱动器M57962L作为IGBT的驱动。[9]
为防止上、下桥臂直通，设计了硬件延时电路。采用缓冲电路来抑制关断过程中的和尖峰过电压。
利用PLC的高速脉冲输出指令，[6]采用同步更新脉冲宽度方法在PLC的输出端口Q0.0（或Q0.1）输出PWM控制信号，该信号加到驱动电路上，控制主电路开关管IGBT的导通和关断，从而控制电机的转速。
首先产生占空比大于50%的PWM波，使电机正转运行，运行一段时间后产生占空比小于50%的PWM波，使电机反转运行，之后再产生占空比等于50%的PWM波，使电机停止运行。
（3）软件设计思想。确定PWM信号的输出端；初始化PWM输出形式的各个参数，如控制字节、PWM周期值等；修改输出的脉冲宽度。初始化配置及修改脉宽均可在子程序中执行。在主程序中用首次扫描标志位SM0.1将PWM使用的输出点清零并调用子程序完成初始化操作，在需要时调用修改脉宽子程序。选择高速计数器编号、工作模式、输入点的配置。基于M测速方法实现对电机转速的测量。
（4）系统调试要求。观察PWM 控制电路输出波形；波形记录直流电机的开环调速实验结果。
2.直流电机PWM闭环调速控制
（1）实验任务。实现直流电动机PWM闭环调速；完成电动机的转速定量测量和波形显示。
（2）实验方案设计。基于PLC的PWM闭环调速系统构成框图[9]如图4所示。旋转编码器与直流电机同轴连接，利用S7-200 PLC的高速计数功能，测量电机的转速。转速给定信号与转速测量信号相减，得偏差信号，通过PLC的PID功能指令得到PID控制器输出，PID控制器输出作为PWM信号占空比的控制信号，利用PLC的PWM功能指令，可在PLC的相应输出端输出占空比可调的PWM信号。PWM信号作用于驱动电路，控制PWM变换器主电路相应桥臂开关管的导通和关断，从而控制加在直流电机电枢上的电压，实现直流电机的PWM调速。
（3）程序设计思想。控制系统程序主要包括转速测量程序、PID控制算法程序及PWM信号产生程序三部分。转速测量程序利用PLC的高速计数功能基于M测速方法实现对电机转速的测量。PID控制算法程序利用PLC的PID功能指令实现速度的PID控制，并将PID控制器的输出值作为PWM控制信号的占空比。PWM信号产生程序利用PLC的PWM功能指令产生周期一定，占空比可调的PWM信号。在执行PID指令前，应构建PID控制回路表，将控制回路表中有关参数按照地址偏移量写入相应的变量寄存器。采用调用子程序的方法，在子程序中，对PID参数进行初始化处理。
（4）系统调试要求。观察PWM 控制电路输出波形；将电机转速给定值设定在某一值，观察电机的稳定运行情况；转速阶跃响应实验；改变负载响应实验。[7]
三、结束语
结合电气工程及其自动化专业其他专业课程，利用、依托这些专业课程现有实验设备，开发一些PLC综合、设计性实验项目，为锻炼学生综合运用PLC相关知识、提高学生的综合实践能力提供了途径，不仅与其他专业课融会贯通，提高学生综合运用专业知识的能力，还可节约实验成本，实现实验资源的共享。
参考文献：
[1]周建萍，王志萍，于会群.对提高“PLC 实验课”课程教学质量的探讨[J].实验室研究与探索，2012，31（10）：119-121.
[2]范小兰，赵春锋，余粟.非电类专业学生的系统化PLC 实验教学[J].实验室研究与探索，2012，31（7）：319-321.
[3]王啸东.PLC 虚拟实验室的研究与建设[J].实验室研究与探索，
2012，31（9）：210-213.
[4]苗红霞，齐本胜.PLC控制技术实验教学改革研究与实践[J].实验技术与管理，2010，27（3）：136-139.
[5]闫怡璇，郑萍.基于PLC 技术的过程控制实验装置二次开发[J].实验室研究与探索，2012，31（9）：32-32.
[6]何波，于军琪，段中心.电气控制及PLC应用[M].北京：中国电力出版社，2008.
[7]王春凤，李旭春，薛文轩.PWM 直流调速系统实验的教学实践[J].实验室研究与探索，2012，31（8）：32-34.
[8]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.
[9]何新霞，邢瑞军.基于PLC的直流电机PWM调速系统设计[J].机械与电子，2011，（6）：29-31.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：电气控制；可编程控制器；综合设计；实验；知识融合
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）26-0072-02
“电气控制及可编程控制技术”是中国石油大学（华东）（以下简称“我校”）电气工程及其自动化专业的一门重要的专业课，是一门实践性和应用性都很强的课程。[1，2]我校电气工程系专业实验室有PLC控制实验室，该实验室配有30套S7-200 PLC主机、EM235模拟量输入/输出模块等实验设备，对于一些基本、简单的实验项目可以进行，但对一些综合设计性实验项目较难实现，一方面实际被控对象难以构建，[3，4]另一方面虚拟实验又难以达到应有的教学效果，成为教学的难点。为此，结合直流调速、交流调速等电气工程及其自动化专业其他专业课程的知识内容，依托、利用这些课程专业实验室现有设备，开发一些融合多课程知识的PLC综合设计性实验项目，一方面可有机地将多课程知识内容融合在一起，[5]另一方面又能很好地完成“电气控制及可编程控制技术”课程实验教学，实现资源共享。
一、基于PLC和变频器的交流电机变频调速控制实验
交流调速实验室配有富士变频器、三相异步电动机等实验设备。借助于这些实验设备，可开发基于PLC和变频器的交流电机变频调速实验项目。
1.异步电动机开环变频调速控制
（1）实验任务。实现异步电动机的多档变频调速控制；完成电动机的转速定量测量和波形显示；实现电机正反转控制。
（2）实验方案设计。1）富士FRN2.2G9S变频器具有多步速输入端子X1、X2、X3，根据X1、X2、X3通断状态的不同组合可设定出7种不同的速度，多步速输入端子与S7-200 PLC的输出端子相连，通过编制PLC控制程序，控制对应输出端的导通和关断，从而控制变频器的多步速输入端子的通断，实现异步电动机的多档变频调速控制。2）异步机同轴联接测速发电机，将电机的转速信号转换为0-10V的电压信号，利用S7-200 PLC的模拟量输入/输出模块EM235对转速信号进行A/D转换，实现电机转速的定量测量，并借助于组态软件实现对电机转速的波形显示。3）将PLC的某二个输出端分别与变频器的正、反转控制输入端子FWD、REV相连。通过编程实现电机的正反转控制。
（3）硬件电路设计及搭建。根据控制任务及S7-200 PLC的I/O点数进行I/O分配，设计硬件电路并进行搭建。硬件电路设计可参考图1所示电路，I0.2接系统起动按钮SB1，I0.3接系统循环控制按钮SB2。PLC的三个输出端子Q0.1、Q0.2和Q0.3分别与变频器的多步速输入端子X1、X2、X3相连，通过编程改变输出继电器Q0.1、Q0.2和Q0.3的状态，实现变频器输入端子X1、X2、X3的通断状态的不同组合，设定出7种不同的速度，每种速度对应的频率值预先设定在变频器中。Q0.4、Q0.5分别与变频器的正、反转控制输入端子FWD、REV相连。将测速发电机输出的电压信号接至EM235的模拟量输入通道。为使变频器受控于PLC按照程序运行，在运行前须对变频器的功能进行相应设定。
（4）软件设计思想。软件设计可采用多种编程方法，可利用S7-200 PLC的基本指令来实现，也可利用步进指令来完成。利用步进指令设计时，每一速度控制对应一个步进段，进入对应的步进过程时，可利用置位、复位指令或输出指令让对应的输出继电器Q0.1、Q0.2、Q0.30接通或关断，同时起动定时器开始计时，待定时器定时时间到后，转入下一步进控制过程，以此类推，每档速度运行时间由各个定时器来控制。利用EM235模拟量单元实现转速测量。电机正、反转控制通过软件编程来实现，Q0.4导通时，电机正转，Q0.5导通时，电机反转，注意在进行程序设计时Q0.4和Q0.5要加互锁环节，防止正、反转同时进行。
（5）系统调试要求。波形记录异步电动机的多档变频调速实验结果。
2.异步电动机闭环变频调速控制
（1）实验任务。1）实现异步电动机闭环变频调速。2）完成电动机的转速定量测量和波形显示。3）实现电机的正反转控制。
（2）实验方案设计。控制系统构成框图如图2所示。旋转编码器与电机同轴连接，将异步电机的转速信号变换为脉冲信号，利用PLC的高速计数器进行测量，此信号作为检测到的速度反馈信号，速度给定信号与反馈信号相减得到偏差e（n），经过PLC的PID运算，得到控制量，此控制量再经PLC D/A转换模块变为模拟量，经PLC的模拟输出通道送至变频器的模拟量输入端子，进而控制电机的转速。选用S7-200 PLC模拟量输入/输出模块EM235实现系统相应的D/A转换。将PLC的某二个输出端分别与变频器的正、反转控制输入端子FWD、REV相连。通过编程实现电机的正反转控制。借助于组态软件实现对电机转速的波形显示。
（3）软件设计思想。根据控制任务进行I/O分配，选择高速计数器编号、工作模式、输入点的配置。基于M测速方法实现对电机转速的测量。利用S7-200 PLC提供的PID功能指令[6]完成PID控制算法，算出该采样周期PID调节器的输出值P（n），然后将运算结果通过PLC的D/A转换模块，经模拟量输出通道送至变频器的模拟量输入端子，控制电机的转速。电机正、反转控制通过软件编程来实现，根据不同的条件给出对应的正、反转控制信号。根据I/O分配，当某输出继电器导通时，电机正转，另一输出继电器导通时，电机反转，同样，两输出继电器一定要加互锁环节，防止正、反转同时进行。在执行PID指令前，首先应构建PID控制回路表，将控制回路表中有关参数按照地址偏移量写入相应的变量寄存器。采用调用子程序的方法，在子程序中，对PID参数进行初始化处理。 （4）系统调试要求。将电机转速给定值设定在某一值，观察电机的稳定运行情况；转速阶跃响应实验；改变负载响应实验。[7]
二、基于PLC的直流电机PWM调速控制实验
直流调速实验室配有直流电动机、测速装置等实验设备。借助于实验设备可开发基于PLC的直流电机调速控制实验项目。
1.直流电机PWM开环调速控制
（1）实验任务。实现直流电机的PWM开环调速控制；利用旋转编码器测量直流电机的转速信号，实现电动机的转速定量测量和波形显示。
（2）实验方案设计。PWM变换器采用双极式可逆PWM变换器，[8]其主电路如图3所示。在双极性工作制下，PWM变换器的四个大功率晶体管IGBT分成两组，晶体管VT1、VT4与晶体管VT2、VT3交替导通和截止。在每个PWM周期的期间，Ug1、Ug4为正，正组晶体管VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，直流电机两端电压；在期间，反组晶体管VT2、VT3导通，电机两端电压。
一个 PWM周期内电机承受的电枢电压平均值为：
（1）
令为占空比，其调节范围为0～1。可见，双极性驱动时，通过调节占空比d即可实现PWM调速。当d>0.5时，电机正转；d<0.5时，电机反转；d=0.5时，电机停止运行，此时直流电机电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压。
IGBT是电压驱动型器件，选用集成驱动器M57962L作为IGBT的驱动。[9]
为防止上、下桥臂直通，设计了硬件延时电路。采用缓冲电路来抑制关断过程中的和尖峰过电压。
利用PLC的高速脉冲输出指令，[6]采用同步更新脉冲宽度方法在PLC的输出端口Q0.0（或Q0.1）输出PWM控制信号，该信号加到驱动电路上，控制主电路开关管IGBT的导通和关断，从而控制电机的转速。
首先产生占空比大于50%的PWM波，使电机正转运行，运行一段时间后产生占空比小于50%的PWM波，使电机反转运行，之后再产生占空比等于50%的PWM波，使电机停止运行。
（3）软件设计思想。确定PWM信号的输出端；初始化PWM输出形式的各个参数，如控制字节、PWM周期值等；修改输出的脉冲宽度。初始化配置及修改脉宽均可在子程序中执行。在主程序中用首次扫描标志位SM0.1将PWM使用的输出点清零并调用子程序完成初始化操作，在需要时调用修改脉宽子程序。选择高速计数器编号、工作模式、输入点的配置。基于M测速方法实现对电机转速的测量。
（4）系统调试要求。观察PWM 控制电路输出波形；波形记录直流电机的开环调速实验结果。
2.直流电机PWM闭环调速控制
（1）实验任务。实现直流电动机PWM闭环调速；完成电动机的转速定量测量和波形显示。
（2）实验方案设计。基于PLC的PWM闭环调速系统构成框图[9]如图4所示。旋转编码器与直流电机同轴连接，利用S7-200 PLC的高速计数功能，测量电机的转速。转速给定信号与转速测量信号相减，得偏差信号，通过PLC的PID功能指令得到PID控制器输出，PID控制器输出作为PWM信号占空比的控制信号，利用PLC的PWM功能指令，可在PLC的相应输出端输出占空比可调的PWM信号。PWM信号作用于驱动电路，控制PWM变换器主电路相应桥臂开关管的导通和关断，从而控制加在直流电机电枢上的电压，实现直流电机的PWM调速。
（3）程序设计思想。控制系统程序主要包括转速测量程序、PID控制算法程序及PWM信号产生程序三部分。转速测量程序利用PLC的高速计数功能基于M测速方法实现对电机转速的测量。PID控制算法程序利用PLC的PID功能指令实现速度的PID控制，并将PID控制器的输出值作为PWM控制信号的占空比。PWM信号产生程序利用PLC的PWM功能指令产生周期一定，占空比可调的PWM信号。在执行PID指令前，应构建PID控制回路表，将控制回路表中有关参数按照地址偏移量写入相应的变量寄存器。采用调用子程序的方法，在子程序中，对PID参数进行初始化处理。
（4）系统调试要求。观察PWM 控制电路输出波形；将电机转速给定值设定在某一值，观察电机的稳定运行情况；转速阶跃响应实验；改变负载响应实验。[7]
三、结束语
结合电气工程及其自动化专业其他专业课程，利用、依托这些专业课程现有实验设备，开发一些PLC综合、设计性实验项目，为锻炼学生综合运用PLC相关知识、提高学生的综合实践能力提供了途径，不仅与其他专业课融会贯通，提高学生综合运用专业知识的能力，还可节约实验成本，实现实验资源的共享。
参考文献：
[1]周建萍，王志萍，于会群.对提高“PLC 实验课”课程教学质量的探讨[J].实验室研究与探索，2012，31（10）：119-121.
[2]范小兰，赵春锋，余粟.非电类专业学生的系统化PLC 实验教学[J].实验室研究与探索，2012，31（7）：319-321.
[3]王啸东.PLC 虚拟实验室的研究与建设[J].实验室研究与探索，
2012，31（9）：210-213.
[4]苗红霞，齐本胜.PLC控制技术实验教学改革研究与实践[J].实验技术与管理，2010，27（3）：136-139.
[5]闫怡璇，郑萍.基于PLC 技术的过程控制实验装置二次开发[J].实验室研究与探索，2012，31（9）：32-32.
[6]何波，于军琪，段中心.电气控制及PLC应用[M].北京：中国电力出版社，2008.
[7]王春凤，李旭春，薛文轩.PWM 直流调速系统实验的教学实践[J].实验室研究与探索，2012，31（8）：32-34.
[8]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.
[9]何新霞，邢瑞军.基于PLC的直流电机PWM调速系统设计[J].机械与电子，2011，（6）：29-31.
（责任编辑：王祝萍）