本文關(guān)鍵詞：電氣自動化實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

1 緒論

1.1 本論文的課題背景
本論文的撰寫過程是以中北大學(xué)•施耐德電氣聯(lián)合實驗室的建設(shè)為背景的。施耐德電氣成立于 1836 年，是一家致力于為能源及基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心及網(wǎng)絡(luò)等提供整體解決方案的法資企業(yè)，在輸配電、工業(yè)電氣控制和自動化等領(lǐng)域具有雄厚實力，處于世界領(lǐng)先地位，在住宅應(yīng)用領(lǐng)域也擁有強大的市場能力，素有“全球能效管理專家”的美譽。施耐德電氣自 1987 年進入中國，經(jīng)歷了在中國銷售到在中國研發(fā)，為中國的經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進步做出了很大的貢獻，并且一直非常重視與中國優(yōu)秀大學(xué)的合作，并把培育本地專業(yè)人才作為施耐德電氣發(fā)展的重要策略之一[1]。施耐德電氣于 2006 年啟動其大學(xué)計劃，旨在通過與中國頂尖高校間長期的雙贏合作，改善中國高等教育質(zhì)量，交流知識，并為青年人才提供支持和激勵。施耐德電氣大學(xué)計劃一方面可以讓學(xué)生加強動手能力，為其提供使之更具職場競爭力的實習(xí)經(jīng)驗，以此使學(xué)生受益，另一方面也可以幫助高校改善其整體教育環(huán)境，跟蹤業(yè)界的最新技術(shù)，同時使“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合。目前，施耐德電氣已與清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)等多所 985、211 大學(xué)建立了聯(lián)合實驗室。2013 年，施耐德電氣大學(xué)計劃與中北大學(xué)結(jié)合，共同建立了中北大學(xué)•施耐德電氣聯(lián)合實驗室。中北大學(xué)•施耐德電氣聯(lián)合實驗室致力于打造與國際電氣及自動化接軌的工程實踐環(huán)境，建立與真實工業(yè)環(huán)境一致的先進實驗平臺。該聯(lián)合實驗室的建立，有助于鍛煉學(xué)生的工程實踐能力和專業(yè)綜合能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)。
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1.2 電氣自動化簡介
要實現(xiàn)電氣自動化技術(shù)則需要相應(yīng)的電氣自動化軟件、硬件和系統(tǒng)[3]�，F(xiàn)今比較常見并且運用廣泛的電氣自動化硬件有人機界面（終端和工控機）、可編程邏輯控制器、運動控制器、變頻器、電機啟動器、接觸器和保護繼電器、傳感器、信號燈和指示燈、按鈕和開關(guān)、斷路器、電源及變壓器和工業(yè)以太網(wǎng)交換機等。除了硬件之外還有電氣自動化軟件和電氣自動化系統(tǒng)。人機界面包括觸摸屏和工業(yè)控制計算機。觸摸屏是近些年來市場上應(yīng)用越來越廣泛的一種設(shè)備，其最常見的應(yīng)用是手機屏幕。觸摸屏的特點是操作簡單、信息直觀、安靜、省電、可靠性和穩(wěn)定性強。因為其有這樣的特點，現(xiàn)在在工業(yè)控制領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用，觸摸屏使得工業(yè)控制更加直觀和方便[4]。觸摸屏以其可以編程的特點在取代傳統(tǒng)按鍵后使得整個控制系統(tǒng)在作變動和更新時變得更加方便，成本更加低廉[5]。觸摸屏的發(fā)展趨勢是色彩越來越逼真、屏幕越來越大、像素密度越來越高。濕手操作、帶手套操作、懸浮操作以及柔性材質(zhì)屏幕是觸摸屏最新的技術(shù)，更多新技術(shù)的加入一定會使得工業(yè)觸摸屏帶來更好的人機交互體驗。工業(yè)控制計算機也簡稱 IPC[6]。在工業(yè)控制領(lǐng)域，計算機也同樣得到了應(yīng)用，這就是所謂的工業(yè) PC 機。因為工業(yè)計算機的應(yīng)用環(huán)境是工業(yè)控制，所以與普通計算機不同工業(yè)計算機有其特有的特點[7]。用途不同性能必然要求也不一樣，工業(yè)計算機對工作溫度的要求更廣，除此之外，工業(yè)計算機在防塵、抗震動和抗干擾等方面有著更好的表現(xiàn)。IPC 對硬件性能的要求并不追求極致，只要夠用能夠滿足控制要求即可，硬件的穩(wěn)定性才是 IPC 的關(guān)鍵，要比普通計算機高很多[8]。因為穩(wěn)定性一旦出現(xiàn)問題，工業(yè)生產(chǎn)過程就會出錯，會造成很大價值的損失。
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2 電氣自動化實驗平臺總體方案設(shè)計

2.1 電氣自動化實驗平臺的設(shè)計思想
學(xué)校原有實驗室設(shè)備單一，關(guān)于電氣自動化這一領(lǐng)域原實驗室只有 PLC，而且只能做最簡單的邏輯控制。為了讓學(xué)生更廣泛、更全面、更直接的了解電氣自動化的最新發(fā)展，有必要引進更多類型的工業(yè)控制設(shè)備，比如運動控制器、智能電機啟動器、變頻器、伺服驅(qū)動器、網(wǎng)絡(luò)交換機以及總線型伺服驅(qū)動器等設(shè)備。學(xué)校原有的 PLC 實驗室建成已經(jīng)有十年以上的時間，不僅工業(yè)控制設(shè)備單一，而且 PLC 的控制功能也單一，只能針對輸入輸出進行邏輯控制。經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)在主流的 PLC 可以進行高速計數(shù)和脈沖輸出，不少型號的 PLC 可以進行模塊擴展，比如通過配電模塊、模擬輸入輸出模塊、脈沖輸出模塊或者數(shù)字量輸入輸出模塊的擴展以實現(xiàn)更多的功能。而且原有的 PLC 存在接口過少的問題，除了編程接口、電源和輸入輸出之外，幾乎沒什么可以擴展的接口。如此以來，現(xiàn)在常用的組態(tài)軟件、觸摸屏等新技術(shù)由于缺少更多的通信接口而無法與 PLC 兼容。因此，，解決 PLC 功能單一和接口過少的問題是設(shè)計新實驗平臺必須考慮的。實驗平臺靈活開放的設(shè)計思想是從實驗的本質(zhì)出發(fā)而考慮的。實驗的本來目的就是通過自己所希望的硬件組合運行來得到一個與預(yù)期一樣或者不一樣的效果，從而達到學(xué)習(xí)和理解的目的，而不是像一個演示系統(tǒng)一樣僅僅觀看一下實驗的現(xiàn)象。為了還原實驗的本質(zhì)，本次實驗平臺的設(shè)計遵循靈活開放的設(shè)計思想，盡量讓設(shè)備的端口處于開放狀態(tài)，當(dāng)有需要或者有想法的時候可以靈活的組建控制系統(tǒng)。

2.2 電氣自動化實驗平臺的構(gòu)架
為了實現(xiàn)更多的功能，涉及更多不同種類的設(shè)備，也是為了體現(xiàn)學(xué)習(xí)由簡單到復(fù)雜循序漸進的過程，所設(shè)計的電氣自動化實驗平臺分為四種不同的配置，分別是電氣自動化基本實驗平臺 A、電氣自動化基本實驗平臺 B、綜合自動化實驗平臺和運動控制實驗平臺。電氣自動化基本實驗平臺 A 的架構(gòu)如圖 2.1 所示。該架構(gòu)所涉及的設(shè)備有可編程控制器 M218、觸摸屏 HMI GXO3501、變頻器 ATV312、交流電機、智能型電機啟動器、接觸器和熱過載繼電器。該實驗平臺除了可以實現(xiàn) PLC 基本邏輯控制之外，還可以實現(xiàn)觸摸屏與 PLC 的通信，接觸器加繼電器的電機起動以及智能型電機啟動器的電機起動和控制等。M218 可以通過串口與組態(tài)軟件連接，實現(xiàn)組態(tài)軟件對整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控。變頻器可以運行多種工作模式，可以實現(xiàn)變頻器直接對交流電機的調(diào)速，也可以使變頻器受控于 M218，實現(xiàn) PLC 對交流電機的調(diào)速。M218 也可以實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。
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3電氣自動化基本實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)
3.1 電氣自動化基本實驗平臺的設(shè)備構(gòu)成.........18
3.2 電氣自動化教學(xué)實驗的設(shè)計與開發(fā).........21
3.3 PLC 變頻器通信實驗的設(shè)計.........28
3.4 PLC 以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計.........33
3.5 基于 PTO 控制的單軸伺服系統(tǒng).........39
4 綜合自動化實驗平臺設(shè)計與開發(fā)
4..........48
4.2 CANopen 現(xiàn)場總線技術(shù)的背景.........49
4.3 基于 CANopen 現(xiàn)場總線的兩軸伺服系統(tǒng)設(shè)計.........51
5 運動控制實驗平臺設(shè)計與開發(fā)5.1 運動控制實驗平臺的設(shè)備構(gòu)成.........59
5.2 電子凸輪系統(tǒng)設(shè)計.........60
5.2.1 機械凸輪與電子凸輪.........60
5.2.2 電子凸輪系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).........62
5.2.3 電子凸輪系統(tǒng)軟件設(shè)計.........63
5.3 數(shù)控 CNC 控制系統(tǒng)設(shè)計..........70

5 運動控制實驗平臺設(shè)計與開發(fā)

5.1 運動控制實驗平臺的設(shè)備構(gòu)成
平臺采用施耐德 LMC058LF42S0 型運動控制器，可以實現(xiàn)多軸同步運動控制，速度及位置控制，高速計數(shù)和多種網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時支持模擬量和數(shù)字量輸入輸出拓展模塊，以及通信模塊的拓展。運動控制器可以實現(xiàn)多伺服軸的同時運動控制，其與 PLC最關(guān)鍵的不同就是可以控制兩軸甚至多軸同時運動時各個軸之間的相對精度。運動控制器具有多軸聯(lián)動控制的功能，因此，其在多電機聯(lián)動控制的場合能夠得到很好的應(yīng)用。該運動控制器內(nèi)置 CANmotion 總線主站，可以實現(xiàn)最多八軸的同步控制；內(nèi)置 CANopen總線主站，用于 CANopen 總線型伺服系統(tǒng)的控制；內(nèi)置編碼器輸入端口，可以針對外部編碼器信息構(gòu)建實時多軸運動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。LMC058 可以實現(xiàn)速度、相對位置和絕對位置控制，可以建立虛擬軸，可以實現(xiàn)電子凸輪曲線控制、電子齒輪系統(tǒng)和插補及偏差補償控制。通信方面內(nèi)置以太網(wǎng)服務(wù)，可以實現(xiàn) Ethernet IP Device 協(xié)議、Ethernet TCPModbus 協(xié)議和 Somachine 等協(xié)議的以太網(wǎng)通信，內(nèi)置 RJ45 端口，可以實現(xiàn) Modbus、RS232、RS485 協(xié)議的串行通信。實驗平臺伺服驅(qū)動器采用四個 Lexium32A 總線型伺服驅(qū)動器，分別驅(qū)動四個 400瓦的伺服電機 BSH0551T01A2A。Lexium32A 配置有 CAN 總線端口，可以靈活快速的搭建總線控制系統(tǒng)。Lexium32A 內(nèi)置存儲卡，可以保存驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置信息，在更換設(shè)備時便于驅(qū)動器的快速設(shè)置。實驗平臺配備觸摸屏 HMI STU855，該觸摸屏配備 5.7 英寸彩色液晶屏幕，并可以用 U 盤進行程序下載，內(nèi)置以太網(wǎng)通信模塊，并支撐遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，配備一個 RJ45 標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，支持 RS232/RS485 標(biāo)準(zhǔn)的串行通信。
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結(jié)論

本論文在中北大學(xué)•施耐德電氣聯(lián)合實驗室建設(shè)這個背景下完成，按照由低到高、由易到難的順序，對四種電氣自動化實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)進行了探討。論文主要完成了以下內(nèi)容：首先，以電氣自動化基本實驗平臺 A 為背景，設(shè)計開發(fā)了十六個電氣自動化教學(xué)實驗；采用 Modbus 通信技術(shù)實現(xiàn)了 M218 對變頻器的控制；針對 M218 的以太網(wǎng)功能，設(shè)計了以太網(wǎng)遠(yuǎn)程變頻器控制系統(tǒng)；進一步對多 PLC 的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計進行了探討。以電氣自動化基本實驗平臺 B 為背景，設(shè)計開發(fā)了基于 PTO 控制的單軸伺服系統(tǒng)。其次，以綜合自動化實驗平臺為背景，簡單闡述了 CANopen 現(xiàn)場總線技術(shù)的背景；針對 CANopen 總線型伺服驅(qū)動器 Lexium 32A，設(shè)計和開發(fā)了兩軸的總線型伺服系統(tǒng)，并采用觸摸屏設(shè)計了伺服系統(tǒng)的交互界面。最后，以運動控制實驗平臺為背景，針對運動控制器 LMC058 的電子凸輪功能，分別以三種不同的機械凸輪機構(gòu)為例，對它們對應(yīng)的電子凸輪系統(tǒng)的設(shè)計進行了探討；針對 LMC058 的數(shù)控功能，設(shè)計并開發(fā)了數(shù)控 CNC 控制系統(tǒng)。
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參考文獻（略）

  本文關(guān)鍵詞：電氣自動化實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。