摘要：针对电气工程及相关专业的实训教学，设计出一种基于PLC、变频器和组态王软件技术的电气控制综合实训平台。介绍了电气控制综合实训平台的组成及硬件设计、上位机组态人机交互界面设计和下位机PLC控制程序开发。利用实训平台开发了相关的实训项目案例，并在专业实践教学中推广，取得了良好的应用效果。
关键词：PLC；组态王；电气控制；实训平台
目前我国电气控制类专业人才培养面临的现状是：一方面，随着我国经济发展方式转变和产业转型升级，导致创新复合型工程技术人才紧缺；另一方面，国内高校培养的本科毕业生实践能力相对较差，缺乏创新思维，满足不了现代高新企业对工程技术人才的需求。电气控制实训是华侨大学电气工程及其自动化专业的一个重要的实践教育环节。笔者一直以来承担着电气控制实训任务的实践指导工作，总结以往的实训教学经历，发现存在一些典型问题，如：旧的电气接线实训装置已使用多年，部分设备已显陈旧、易出故障；接线复杂，失败率较高；以验证式实训内容为主，不能激发学生的主观能动性和自主探索精神。原有的实训教学的效果得不到保障，对学生工程实践和创新能力的培养较为薄弱，基本不适应新时代人才培养的要求。笔者紧密联系工业生产和专业实际，依托华侨大学电气实训室原有设备资源和条件，将旧的电气接线实训装置进行升级改造，整合优化原有电气实训资源，融合当前工业自动化领域的流行控制技术，设计出一种基于西门子PLC、变频器和组态王软件的电气控制综合实训平台，学生可在此平台上自主进行电气控制实训项目的应用开发。该实训平台集项目设计、选型、安装、编程、调试、运行等功能于一体，已在电气控制实训教学中取得了良好的应用效果。
1电气控制实训平台组成及硬件设计
电气控制综合实训平台主要由微型计算机、组态王KingView6.5监控软件、西门子PLCS7-200、西门子变频器MM440、交流接触器、三相异步电动机及实物对象等组建而成，其组成结构如图1所示。该实训平台预期实现的主要功能与特点为：一是通过友好的可视化人机交互界面完全监控电气控制实训过程；二是通过PLC和变频器可灵活地组合实现基于不同方式的异步电动机调速控制；三是可自主探索开发出多样化的电气控制实训项目，平台具有良好的通用性和可拓展性。该平台采用上、下位机主从式结构。下位机选用德国西门子S7-200系列PLC，主机控制器为CPU224XP，其集成有14个数字输入点和10个数字输出点、2个模拟输入点和1个模拟输出点，以及2个RS232通信端口，该端口具有高速的信号处理能力，功能强大，可在有模拟信号的系统中使用，充分满足电气控制实训项目的设计需求，且无须配置扩展模块[1]。下位机PLCS7-200控制器CPU224XP与上位微型计算机中的组态王KingView6.5监控软件和PLC编程软件STEP7-Micro/WIN32均采用PC/PPI电缆和自由端口通信功能来实现通信连接，使用RS232串行通信端口，支持PPI协议，波特率设置为9.6kbps。实训平台的执行器采用德国西门子变频器MM440，其可使输出电压在0～380V之间可调，输出频率在0～50Hz之间可调，且具有很高的运行可靠性和完善的保护功能[2]。变频器MM440接收PLCS7-200CPU224XP的控制信号，通过改变输出电压及频率，实现对三相交流异步电动机的启停、正反转、变速调节、多段无级调速等控制功能。这里给出实训项目典型示例中的异步电动机正反转调速控制电气接线图，如图2所示。根据异步电动机正反转调速控制要求，按钮SB1控制正转，按钮SB2控制反转，按钮SB3控制电机停止运转；端口Q0.0和Q0.1不能同时通电，必须形成互锁机制；N和L1为PLCS7-200电源接口，PE为接地端口。在变频器MM440中ADC1和ADC2所接入的电源为0～10V可调直流电源，通过调节ADC1和ADC2端口之间的电压大小来改变变频器输出频率，电压0～10V对应频率0～50Hz。另外L1，L2，L3端口接入380V三相交流电源。
2电气控制实训平台应用软件开发
2.1上位机组态人机交互界面设计
上位微型计算机的监控采用北京亚控科技公司的组态王KingView6.5监控软件进行二次开发实现。该软件具有灵活的模块化组态单元、内容丰富的标准图库和绘图工具、丰富的设备驱动和数据采集通信协议，可配置生成实时、历史数据报表，支持ActiveX控件方便扩展应用[3]。在电气控制实训平台上位机组态人机界面设计中，可借助由启停按钮、运行指示灯、计时器、参数调节栏、实时曲线等图标构成的控制面板形象直观、动态地展示三相异步电动机电气调速控制的运行过程。采用组态王KingView6.5监控软件设计出的电气控制综合实训平台组态人机交互界面如图3所示，该监控界面提高了电气控制综合实训的人机交互可视化效果和实训操作过程的安全性。
2.2下位机PLC控制程序开发
下位机PLC控制程序的开发在与S7-200相配套的编程软件STEP7-Micro/WIN32中进行，采用模块化编程方法，主要分为初始化子程序、中断子程序、控制算法子程序、手动调试子程序等模块。模块化程序结构设计思路清晰，有利于对程序运行状态的实时监控，方便对程序进行调试和修改，可移植性强[4]。在PLC控制程序的编写过程中，首先要针对需要实现的电气控制功能进行I/O端口和寄存器地址的分配，并对系统控制参数进行设置[5]。针对S7-200系列PLC控制程序的编写，主要依据电气控制系统的动作要求，利用PLC的基本逻辑指令编写梯形图语言逻辑控制程序，继而调试后实现电气实训项目要求的异步电机调速控制方式和控制功能。这里给出实训项目典型示例中的异步电动机正反转调速控制PLC梯形图，如图4所示。
3实训项目开发及应用效果
在上述基于西门子PLC、变频器和组态王软件的电气控制综合实训平台基础上，进行了一些相关的电气控制实训项目开发。这里给出基于不同方式的异步电动机调速控制实训项目典型案例，见表1。学生还可以围绕电气实训的总体目标和要求，依托此电气控制综合实训平台，充分利用西门子PLCS7-200、变频器MM440和组态王KingView6.5软件丰富的开发资源，自拟实训方案，进行电气控制实训项目的自主创新设计与开发。整个实训项目的全过程从电气接线安装、PLC控制程序开发、人机交互界面设计到调试运行、撰写实训报告等均由学生独立完成。目前，已将上述电气控制综合实训平台在电气专业实践教学中进行示范推广，取得了良好的应用效果。学生在此平台上通过具体的项目化实训，能够获得系统的专业强化训练。相对以往的实训，该平台的使用不仅大幅减少了电气接线工作量，降低了因接线错误导致实训失败或设备器件烧坏的概率，而且贴近工业生产实际，增强了学生对PLC、变频器和组态监控软件的项目应用开发能力，训练了学生的工程实践能力和自主创新思维。电气控制综合实训平台的成功开发与应用，受到了学院师生的一致好评。
4结语
在原有的电气接线实训装置基础上节约利用资源并进行升级改造，将PLC控制技术、变频器调速技术和计算机组态监控软件技术相结合，充分发挥三者的技术优势，设计了一种结构配置简单灵活、人机交互界面友好的电气控制综合实训平台。利用此平台开发了异步电动机调速控制实训项目典型案例作为体验式电气实训教学示范，并已在专业实践教学中得到成功推广应用。该平台的开发和应用有助于将专业理论和工程实践紧密结合，展现了综合性和项目化的电气实训特点，可有效促进对学生工程实践和自主创新综合能力的培养。
作者：项雷军 彭长青 詹瑜坤 单位：华侨大学信息科学与工程学院