董改花，曹新東

基于MCGS的“變頻調(diào)速技術(shù)”虛擬實訓(xùn)平臺設(shè)計

董改花，曹新東

針對高職機電類專業(yè)設(shè)備投資大、維修費用高的現(xiàn)象，利用組態(tài)MCGS，開發(fā)適用于高職的變頻調(diào)速技術(shù)仿真實訓(xùn)平臺，并設(shè)計了每個項目的具體步驟。此平臺成本低，操作簡單，具有很好的擴展性。

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

一、問題的提出

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)”是一門實踐性較強的課程，應(yīng)該多開設(shè)一些與工業(yè)實際應(yīng)用緊密結(jié)合的實訓(xùn)項目，需要搭建一個良好的實訓(xùn)平臺。而由于資金、價格、設(shè)備、場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)建真實企業(yè)場景的實訓(xùn)平臺。目前，各學(xué)校所采用的變頻調(diào)速技術(shù)實訓(xùn)平臺基本上分為兩類。一類是簡易的變頻器實訓(xùn)箱，此實訓(xùn)裝置沒有真實的被控對象，學(xué)生通過觀察指示燈的亮滅與變頻器有無頻率顯示來判斷程序的運行狀況，學(xué)生很難理解控制過程，程序出了問題很難找到具體原因。這種實訓(xùn)平臺對學(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象的工作過程，無法看到實際的運行效果，很大程度上影響到了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性。此外此種變頻調(diào)速實訓(xùn)平臺容易造成接錯線等不當操作，導(dǎo)致維修成本高、安全隱患大等問題，而且對于復(fù)雜的控制模型比較難實現(xiàn)。另一類是教學(xué)設(shè)備廠商開發(fā)的特殊企業(yè)模擬實訓(xùn)平臺，例如亞龍、天煌等公司開發(fā)的微型實訓(xùn)設(shè)備，很好的反映了工業(yè)真實情景，教學(xué)效果不錯。但是，此類設(shè)備造價昂貴，有的一套要數(shù)萬元，有的甚至要十幾萬元，而且后期維護費用也高、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的操作訓(xùn)練。

針對以上“變頻調(diào)速技術(shù)”實訓(xùn)教學(xué)平臺的現(xiàn)狀，一種既能很好的展現(xiàn)工業(yè)控制現(xiàn)場情景，又能不增加硬件成本支出的“變頻調(diào)速技術(shù)”課程實訓(xùn)平臺的開發(fā)，顯得非常具有實際意義。

二、虛擬實訓(xùn)平臺軟件選擇

組態(tài)軟件產(chǎn)品出現(xiàn)在上世紀80年代初，我國是上世紀90年代引入的。由于組態(tài)軟件具有圖像顯示、動畫顯示、報警處理、報表輸出等各種功能，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年開始的，研究應(yīng)用領(lǐng)域大多是對PLC課程實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的開發(fā)及實現(xiàn)方面，［3］此外，還有部分是對PLC通信方面的研究。［4］然而，在現(xiàn)有的參考文獻中，還體現(xiàn)以下兩方面的不足。（1）選用的控制工程不全面，開關(guān)量控制較多，對模擬量的控制幾乎沒有。（2）系統(tǒng)遠程監(jiān)控功能并沒有充分發(fā)揮組態(tài)軟件的全面功能，在系統(tǒng)遠程監(jiān)控功能及網(wǎng)絡(luò)功能方面研究不多，應(yīng)用功能沒有發(fā)揮出來。

目前還沒有將組態(tài)軟件應(yīng)用于對變頻調(diào)速技術(shù)課程實訓(xùn)平臺的開發(fā)。本文擬將組態(tài)軟件設(shè)計實訓(xùn)平臺的方法應(yīng)用于變頻調(diào)速技術(shù)課程中，而且針對PLC課程應(yīng)用中出現(xiàn)的不足予以彌補，本系統(tǒng)新增模擬量工業(yè)控制場景及實現(xiàn)上位機遠程監(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、虛擬實訓(xùn)平臺設(shè)計

（一）實訓(xùn)主平臺設(shè)計

根據(jù)變頻調(diào)速技術(shù)課程大綱及高職學(xué)生認知特點和能力要求設(shè)計實訓(xùn)項目內(nèi)容。將基于工業(yè)組態(tài)MCGS的“變頻調(diào)速技術(shù)”實訓(xùn)平臺分為2個部分，分別為基本技能實訓(xùn)模塊、應(yīng)用提高實訓(xùn)模塊。第一部分基本訓(xùn)練模塊包括5個實訓(xùn)項目：實訓(xùn)項目一：變頻器FR-D700外部端子點動控制；實訓(xùn)項目二：變頻器FR-D700控制電機正反轉(zhuǎn)；實訓(xùn)項目三：變頻器FR-D700多段速度選擇變頻器調(diào)速；實訓(xùn)項目四：變頻器FR-D700無級調(diào)速；實訓(xùn)項目五：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個項目。實訓(xùn)平臺主界面如圖1所示。

圖1　“變頻調(diào)速技術(shù)”課程實訓(xùn)主平臺

（二）單個實訓(xùn)項目的開發(fā)

現(xiàn)以其中一個實訓(xùn)項目三“變頻器FR-D700多段速度選擇變頻器調(diào)速”為例，闡述項目開發(fā)過程。

1.確定被控對象及控制功能。變頻器FRD700多段速度選擇變頻器調(diào)速實訓(xùn)項目要求：（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）通過外部端子控制電機多段速度運行，開關(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）運用操作面板設(shè)定電機運行頻率、加減速時間。

2.仿真動畫靜態(tài)界面設(shè)計。根據(jù)實訓(xùn)項目控制要求，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計靜態(tài)界面如圖2所示。

圖2　項目三虛擬實訓(xùn)平臺

3.實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。根據(jù)實訓(xùn)項目控制要求，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計靜態(tài)界面要建立變量。

4.靜態(tài)畫面及腳本程序的編寫。變頻器FRD700多段速度選擇變頻器調(diào)速實訓(xùn)項目靜態(tài)畫面設(shè)計好之后，要運行起來還需要循環(huán)動態(tài)腳本。具體腳本編寫應(yīng)該按照K2、K3、K4、K5動作的順序編寫。

5.設(shè)備通訊聯(lián)機調(diào)試。首先，實訓(xùn)前對該變頻器參數(shù)在虛擬實訓(xùn)平臺上逐一進行設(shè)置。

當按下啟動按鈕K1，電機啟動，Run運行監(jiān)視指示燈亮。當按下頻率給定按鈕K2、K3、K4、K5時，電機按照指定頻率運行。K2、K3、K4、K5不同組合將有不一樣的運行頻率。

當按下K1、K4時，電機運行指示10Hz，電機運行指示燈Run變亮，同時電機運行標志燈變綠。調(diào)試如圖3所示。當按下K1、K4、K3時，電機

圖3　按下K1、K4時第2速調(diào)試圖

運行指示18Hz，電機運行指示燈Run變亮，同時電機運行標志燈變綠。調(diào)試如圖4所示。

圖4　按下K1、K3、K4時第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)實訓(xùn)平臺的設(shè)計與開發(fā)，是將PLC、變頻器、組態(tài)MCGS有機地結(jié)合起來，利用工業(yè)組態(tài)MCGS軟件模擬多種變頻控制對象，在上位機計算機屏幕上以動畫的形式再現(xiàn)變頻控制系統(tǒng)的工作過程。學(xué)生不需要實物，僅需要與上位機通過RS-232連接就可檢驗所編程序是否正確。

（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。利用上位機的組態(tài)畫面仿真變頻控制系統(tǒng)，避免了實訓(xùn)中變頻器與控制對象的硬件接線，減少了實訓(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)計實訓(xùn)項目

此系統(tǒng)擴充及更新實訓(xùn)內(nèi)容模板極為方便，只需更改軟件。實訓(xùn)中，可通過編寫不同的控制程序?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)具有較好的開發(fā)柔性與擴展性。

（三）有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性

本控制系統(tǒng)畫面生動逼真，學(xué)生在調(diào)試程序階段能更好的觀測變頻控制對象的動作過程，控制效果形象生動，學(xué)生易于理解，極大調(diào)動了學(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)的虛擬儀器開發(fā)方法的研究［J］.上海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999（4）：357-361.

［2］尹愛軍，楊正益，孫麗萍，等.虛擬儀器開發(fā)中功能組態(tài)設(shè)計［J］.振動、測試與診斷，2010（2）：193-196.

［3］金亞玲，劉義杰，鄭志廣.淺談組態(tài)軟件在PLC實驗教學(xué)系統(tǒng)中的實現(xiàn)［J］.企業(yè)導(dǎo)報，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)實現(xiàn)及應(yīng)用［J］.中國教育技術(shù)裝備，2014（8）：42-45.

［責任編輯陳國平］

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃一般項目（項目編號：201512685001Y）；江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級訪問學(xué)者計劃資助項目（項目編號：2015FX068）；蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育教學(xué)研究重點課題（項目編號：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，主要研究方向為機電一體化教學(xué)。

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1674-7747（2016）21-0067-02