CSYXS-PLC-01电机控制与原理认知实验系统

本系统主要包括PLC实验系统、电动机控制实验系统和电机原理认知实验系统三部分。电机控制实验系统以PLC为控制核心，配以各类电动机完成相关实验。PLC实验系统包括各类实验模块，用于完成PLC编程及外设检测控制实验。在进行设计时，可以将PLC实验系统和电机控制实验系统做成一体，合成为PLC及电机控制实验系统。电机原理认知实验系统主要用于电机内部结构认知及原理演示实验。

5.2  PLC实验系统

可编程控制器是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机，在发射控制领域中的执行机构控制、通信以及数据处理等方面应用广泛。PLC系统学习具有理论与实践并重的特点，通过编程实验完成系列实验项目，使学员直观感受相关控制过程及现象。本系统以PLC为控制核心，变频器、开关量、模拟量等实验资源，可实现PLC系统相关编程实验。
 

5.2.1  PLC实验系统组成

实验系统采用模块式结构设计，集可编程控制器、PLC编程软件、仿真实训教学软件、实训模块、实物、电机实操板等于一体，可直观地进行PLC的基本指令练习、多种场景PLC应用的模拟及实物控制。

5.2.2  技术参数

（1）输入电源：三相四线AC380V±10% 50Hz
（2）装置容量：＜2.0kVA
（3）外形尺寸：1780mm×705mm×1470mm（长宽高各自偏离不大于5%）
（4）安全保护：具有漏电、过压、过流、欠压、过载等安全保护等功能，安全符合国家相关标准。

5.2.3  基本要求

1、采用积木组合式结构配套组态监控软件、仿真实训教学软件，实现仿真化、信息化、网络实训教学，体现实训教学的科学性和系统性。
2、项目实训模块：利用目前典型的可编程控制器及总线技术完成对模拟对象、实物模型中的逻辑、模拟、过程、运动等的控制实训，完成学生认知、设计、安装、调试、检修等多种技能实训。
3、基于现场总线的组态监控实训教学：通过现场总线网络，将实训装置（从站）PLC和主站PLC进行1：N通信。从站的PLC运行控制对象的程序，利用工控网络集中监控的功能，主站PLC可以对任意一台从站PLC进行实时监控，符合现场控制的要求。学生独立通过PLC完成对各种实训对象的控制，并进行组态实时监控（1：1通信）。
4、仿真实训教学：通过虚拟环境实时显示PLC运行状态，也可以实现PLC接线，错误检查，编程训练、程序编写测试等功能。

5.2.4  PLC实验系统主要配置及功能

1、PLC实验台主要配置及参数如表6所示。
表6                       PLC实验系统主要组成及参数

序号	名称	主要参数	数量	备注
1	实训平台	1.根据现代电气控制系统的实训功能及特点要求，实训装置采用平面开放式结构，能很好的满足不同的教学实训项目，对单一的、综合的、复杂的、创新的实训项目均能很好的开展； 2.平台主体框架选用标准铝型材和优质冷轧钢整板组合而成，表面采用亚光密纹喷塑处理； 3.配置多功能网板与专用安装卡扣。	1套
2	电源控制	配置三相五线交流电源，经漏电总开关控制，经一键式智能启电路控制通断，并设有三相数字电压表指示电压，具有缺相/断相指示。	1套
3	交流电源	三相380V及220V交流输出一组，带过夺压、过载、短路保护及报警锁止输功能。	1套
4	直流电源	设有0－15V、0－10mA直流信号源， 输出软截止保护。	1套
5	直流仪表	设有量程100V、200mA外测仪表，并设有量限保护。	1套
6	一键式电源管控单元	可实现电源控制，不接受采用线圈、互感器作为反馈检测的单元电路。	1套
7	控制屏	（1）铁质双层亚光密纹喷塑结构，铝质面板；配有工业铝型材框架，用于安放挂箱模块 （2）交流电源控制单元 提供有实验所需的AC380V、AC220V电源接口，实验线路用交流电源设有短路保护功能 （3）直流电源、直流电压/电流表等 直流电压≥10V，可调输出；直流电流0～20mA，可调输出；直流数字电压表/电流表：电压表量程0～200V、精度0.5级，电流表量程0～200mA、精度0.5级；同时设有DC24V、DC5V电源，LED数码管、方向指示器、LED指示灯等。	1套
8	实验桌	采用钢质框架结构，电脑桌联体设计。桌面采用防火、防水、耐磨高密度材料，厚度≥25mm；桌体采用快速拼装结构。配有带刹车万向轮，方便移动布局；带锁存储柜1个，便于存放器件。	1套
9	PLC主机模块	采用主流PLC主机（具体品牌型号待合同签订后协商），集成数字量I/O（14路数字量输入/10路数字量输出）、RS-485通信口，6路高速计数器，配有下载线及通讯电缆。	1套
10	开放网孔板组件	开放式结构设计，学员可观察到真实器件，可灵活搭配组合电气元件；集成中间继电器、交流接触器等元件；完成PLC逻辑编程与实际继电控制的结合；可使学员掌握电气控制系统中各元器件的布局规划、安装、调试过程知识。主要器件配置见下附表清单。	1套
11	★变频器模块	采用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电机转速，主要由整流、滤波、逆变、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。具有过流、过压、过载等保护功能。带有RS485通信接口、变频器电源：220V电源供电；0.37KW；输出频率：0～599 Hz，精度0.01Hz；控制模式：V/f，V2/f，多点V/f，FCC(磁通电流控制)；具有模拟量输入/输出端口；数字量输入/输出端口。面板上将所有功能端子引出，可直接控制电力拖动单元器件，输出电压可通过软件进行配置，通过对开关量的数据采集转换成模拟信号输出，配有多段速数据采集及控制软件，可通过上位机对数变频数据进行操作、采集和控制。	1件
12	工业触摸屏模块	触摸屏主要参数：7"TFT液晶屏；LED背光灯；真彩显示；800*480分辨率；不小于128M内存；通信接口：RS232/RS485/USB(至少主从各1)/以太网（自适应）。	1件
13	电气控制模块	配置有低压电气元器件，可完成典型的电力拖动控制实训，配有低压断路器、熔断器、交流接触器、热过载继电器、时间继电器、行程开关、主令控制器等实训所需器件，所有器件安装在面板表面，可以很直观的看它们的动作情况。	1套
14	★闭环模块	具有转速、频率、计数、V/f测量及编号器放大输出等功能。要求通过面板按钮可设置读取转速、频率、计数功能，V/f曲线比例可设置，要求配置一组编码信号的隔离放大电路，用于驱动外部实验部件。配置有上位机软件。基于RS485通信接口。能够实时观察转速、频率、点数等硬件参数,具有图表设置功能、图表保存打印功能、图表缩放移动功能等。	1套
15	运动控制实物模块	配置有伺服驱动器，伺服电机、雷赛步进电机驱动器和步进电机，直流电机和控制器，配有完成实验所需的电源、连接电缆。	1套
16	“抢答器”模块	（1）挂箱模块式结构设计，面板尺寸202*298*2mm（长宽高偏离5%以内），配有100mm宽手柄，方便取放；金属材质箱体。 （2）抢答器单元：抢答键至少4个，控制接口≥17个；通过对抢答系统中各组人员抢答时序的监视和控制，掌握条件判断控制指令的编写方法； （3）音乐喷泉单元：控制接口≥11个，通过对音乐喷泉控制系统中的“水流”及音乐的循环控制，掌握循环调用指令的编写方法。	1件
17	“装配流水线/十字路口交通灯”模块	（1）挂箱模块式结构设计，面板尺寸202*298*2mm（长宽高可各自偏离5%以内），配有100mm宽手柄，方便取放；金属材质箱体。 （2）装配流水线单元信号接口≥13个，十字路口交通灯单元信号接口≥9个，通过对“生产流水线”顺序加工过程及十字路口交通灯路况信号的控制，掌握顺序控制指令的编写方法。	1件
18	“自动送料装车/四节传送带”模块	（1）挂箱模块式结构设计，面板尺寸202*298*2mm（长宽高可各自偏离5%以内），配有100mm宽手柄，方便取放；金属材质箱体。 （2）信号接口≥20个，通过对传送带启停、传送状态的控制和对货物在自动送料装车系统中流向、流量的控制，掌握较复杂逻辑控制指令的编写方法。	1件
19	“三层电梯”模块	（1）挂箱模块式结构设计，面板尺寸202*298*2mm（长宽高可各自偏离5%以内），配有100mm宽手柄，方便取放；金属材质箱体。 （2）控制接口≥20个，通过对一个完整的三层电梯模型的综合控制，初步掌握PLC控制系统的分析、I/O分配、设计I/O接线图、接线、编程、调试等工作过程的综合知识。	1件
20	模拟应用控制模块	可完成数码显示控制、水塔水位控制、天塔之光控制、自动售货机控制、邮件分拣机控制、机械手控制、自控成型机控制、自动洗衣机、空气压缩机控制、自动扶梯控制、隧道风机等实训项目	1套
21	三相鼠笼异步电机	AC380V/△	1台
22	测速安装组件	配光电测速功能，可与三相鼠笼异步电机及变频器配合，完成电机的变频调速控制	1套
23	步进电机	配有步进电机驱动器模块，配套有滚珠丝杠滑台对象部件（含直线导轨、接近开关、刻度标尺等），实现步进电机的自动往返、角度控制、定位控制等实验	1套
24	伺服电机	伺服电机额定转矩1.27N·M,转速3000r/min，功率0.4kW；配有伺服电机驱动器模块，与配套的滚珠丝杠滑台对象部件（含直线导轨、接近开关、刻度标尺等）实现伺服电机的自动往返、角度控制、定位控制等实验。	1套
25	直流电机	直流电机额定工作电压220VDC,配有直流电机驱动器模块，PWM脉宽调制，AC220V输入，220VDC输出，额定输出电流4A，可由标准信号控制	1套
26	交流电流显示模块	带交流电流变送功能	1套
27	导线架	用于悬挂和放置实训专用连接导线，独立落地放置，四面挂线，设有五个万向轮，造型美观大方。	1套
28	资料U盘	包含编程软件、相关实验指导书、PLC样例程序代码等。	1个/批
29	实训导线	专用实验实训导线：采用高可靠护套结构插连接线（不存在任何触电的可能），里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股线，达到超软目的，外包丁晴聚氯乙烯绝缘层，具有柔软、耐压高、强度大、防硬化、韧性好等优点，插头采用实芯铜质件外套铍轻铜弹片，接触优良	1套
30	电脑编程及监控系统	CPU：不低于i5-9500系列 内存：不小于8G 硬盘：1TB（机械）+256G（固态） 显示器：不小于24寸 键盘：有线键盘鼠标 要求：win7 64位系统 保修：3年全国联保 品牌：国产品牌	1套

其中开放式网孔板组件如下表7所示。
 
 
 
表7                             开放式网孔板组件

序号	名称	型号与规格	数量	备注
1	空气开关	极数3P，电动机保护型，额定电流0.63-1A，额定短路分断能力不小于1.5kVA	1个
2	三相保险丝座	极数3P,配3A保险丝	1个
3	直插式保险丝座	带2A保险丝	1个
4	交流接触器	AC220V/9A	3个
5	辅助触头	2NC/2NO	2个
6	热继电器	0.63-1A	1个
7	热继电器座	与热继电器配套	1个
8	通电延时时间继电器	AC220V,0～60s	1个
9	时间继电器座	与时间继电器配套	1个
10	接线端子排	5节，外壳ABS阻燃，额定工作电流25A,螺丝安装固定	3个
11	导轨	G型	1套
12	导轨	DIN35	1套
13	按钮开关盒	3位，配装黄、绿、红三个通用按钮开关	1套
14	按钮开关盒	2位，配装绿、红两个通用按钮开关	1套
15	行程开关	1NC/1NO	2个
16	网孔专用固定卡件	与网孔板配套，方便器件安装	190个
17	不锈钢自攻螺丝	M4×25	90个
18	导线	0.75平方，红色/黑色各1卷（100m/卷）	2卷/批
19	线槽	30×30	1套
20	工具	包含数字万用表、电烙铁、小十字螺丝刀、小一字螺丝刀、中十字螺丝刀、中一字螺丝刀、剥线钳、斜口钳、工具箱等常用工具。	1套
21	中间继电器	4NO/NC，DC24V	3个
22	接线端子排	多功能，配固定器等辅件	1套
23	开放式网孔安装板		1块

2、3D虚拟仿真控制系统
（1）学员可以在标准的PLC或其他运行环境的编程环境编写好控制程序后，编译下载到软PLC、单片机或其他上进行仿真，模拟运行。
（2）虚拟仿真系统采用Unity3D引擎，在PC上构建3D虚拟环境，且具有AI智能音效，运行时现场音效大小随距声源的距离变化而变化。
（3）硬件集成不低于16路数字量输入/16路数字量输出，支持3路编码器输入/3路脉冲输出，可根据用户PLC类型不同选择输入输出的有效电平；支持3路模拟量输入/2路模拟量输出；支持RS232或RS485通讯和采集卡模块接口扩展。
（4）★系统中集成有各类元素，库中不少于138个元件，种类不少于30种，至少集成传送带、机器人、气动缸、汽车、电梯、人、相机、RFID标签、围栏、变频器、叉车、两轴变位机、伺服电机、丝杆、型材、传感器、普通按钮、急停按钮等，元件之间支持装配固定，标准化场景不少于传输线基础控制、传输线装配控制、传输线阻挡控制、电梯控制控制、行架机器人码垛控制、桁架机械手上下料控制、红绿灯控制、立体仓库控制、立体车库控制、流水线并线控制、流水线分拣控制、线轨控制、液位控制（模拟量PID控制）13个，元件库中的模型和元素都可以拖动到场景中，元素和模型可以进行深化自由搭建。
（5）支持3D建模导入，导入模型至少支持FBX、STL、OBJ、3D常用格式文件，可根据现场实物建模，导入虚拟环境，配合原有库的元素可实现虚实同步，使现场走进实验室。
（6）元件库中的元素和模型支持人称360度观看，可进行放大缩小，视角支持前进（W 键）、后退（S 键）、左移（A 键）、右移（D 键）、上移（E 键）、下移（Q 键）、放大镜头（鼠标滚轮）。
（7）运行和场景搭建时可调出三视图，同时观看三种角度的运行情况，在放置元素时可自由翻转。
（8）虚拟场景的I/O口与采集卡端口的对应关系可以自由分配，可在线强制场景中的数字量和电机的转速。
（9）软件支持屏幕录制功能，工程创建及解析可进行录制方便教学。
（10）软件支持虚拟在线仿真功能，外PLC编程软件可对虚拟PLC进行编程，控制虚拟3D模型，外部PLC编程软件可进行强制和监视相应的变量。
（11）使用全三维虚拟仿真技术，全场景漫游，实时构建自动化系统。
（12）3D模型支持云端更新，可从云端下载3D模型。
（13）系统可接外部信号采集盒，虚拟设备可被各种外部控制器驱动。例如：PLC、机器人、单片机、现场总线，不限规格、不限品牌。
（14）系统支持PLC专用总线通讯，采用底层开发，系统能读取所有PLC内部资源。
（15）系统内置已构建完成的系统范例不少于12个，包括但不限于：十字路口交通灯控制、传输线基本控制、传输线接力控制、多层升降电梯控制、桁架机器人机床上下料、传输线并线控制、机器人码垛、机器人搬运、传输线分捡、立库控制、立体停车库、液位控制等。
（16）教学资源，提供一套PLC实验指导手册，至少包含12个PLC实验。学生通过学习实验指导手册，可在系统软件上直接完成PLC实验。
3、教学辅助资源
（1）PLC学习软件
①软件教学内容与设备配套PLC系列产品一致；
②提供不少于100个学习项目；
（2）PLC训练软件
①提供相关巩固练习题，要求习题内容与PLC学习软件对应。
②要求每题具有结果自动评判功能或训练步骤提示功能。
（3）变频器学习软件
①软件教学内容与设备配套变频器系列产品一致；
②提供不少于50个学习项目。

5.2.5  PLC实验系统实验项目

1、PLC基本技能实训
PLC认知实训（软硬件结构、系统组成、基本指令练习、接线、编程下载等）。
2、变频器控制技术实验
（1）变频器直接控制（点动、正反转调速）
（2）外部端子控制电机正反转
（3）多段速度选择变频调速
（4）基于PLC的变频器外部端子的电机正反转控制
（5）基于PLC数字量方式多段速控制
（6）基于PLC模拟量方式变频开环调速控制
（7）基于PLC通信方式的变频开环调速
（8）基于PLC模拟量控制的变频闭环调速
（9）变频器功能参数设置与操作
（10）变频器外部端子点动控制
（11）变频器无级调速
（12）外部模拟量（电压/电流）方式的变频调速控制
（13）变频器手动/自动启停控制
（14）变频器JOG控制实训
（15）变频器模拟量控制
（16）变频器固定转速运行
（17）触摸屏组态监控编程
3、触摸屏组态监控实验
（1）基于触摸屏控制方式的基本指令编程练习
（2）基于触摸屏控制方式的数码显示控制
（3）基于触摸屏的电机变频调速控制
（4）基于触摸屏控制方式的交通灯编程练习
（5）PLC、触摸屏及变频器综合控制实训
（6）PLC虚实一体控制（12个以上控制案例）
4、PLC通讯网络技能实训
（1）PROFINET网络的组建
（2）PROFINET网络的组态监控
5、PLC模拟控制应用实训
（1）抢答器控制
（2）音乐喷泉控制
（3）装配流水线控制
（4）十字路口交通灯控制
（5）自动送料装车与四节传送带控制
（6）三层电梯控制
（7）数码显示控制
（8）水塔水位控制
（9）天塔之光控制
（10）自动售货机控制
（11）邮件分拣机控制
（12）机械手控制
（13）自控成型机控制
（14）自动洗衣机
（15）空气压缩机控制
（16）自动扶梯控制

5.3  电机控制实验系统

电动机控制系统主要是用于各类电动机控制实验。本系统以PLC为控制核心，结合PLC实验系统相关设备及各类型电动机，实现电机控制各项实验。通过本系统，可完成的主要实验内容为：
（1）PLC控制电动机点动和自锁控制
（2）PLC控制电动机手动正反转控制
（3）PLC控制电动机带延时正反转控制
（4）PLC控制电动机带限位自动往返控制
（5）PLC控制电动机两地启动停止控制
（6）PLC控制电动机星/三角启动控制
（7）基于PLC的步进电机启停及调速控制实验
（8）基于PLC的伺服电动机启停及调速控制实验
（9）基于PLC的直流电机启停及调速控制实验
（10）三相异步电动机的点动控制线路
（11）三相异步电动机的自锁控制电路
（12）三相异步电动机的正反转控制电路
（13）三相异步电动机的星型/三角形启动控制电路
（14）三相异步电动机实时电流采集实验
（15）三相异步电动机直接起动、停车的控制电路连接
（16）步进电机的控制
（17）步进驱动器的参数设置
（18）步进电机的PLC开环控制
（19）增量型编码器的使用
（20）基于增量型编码器的步进电机控制
（21）交流伺服电机的控制
（22）交流伺服驱动器的参数设置
（23）交流伺服电机的PLC半闭环控制
（24）基于增量型编码器的伺服电机控制
（25）直流电机正反转控制

5.4  原理认知实验系统

该系统包括电动机半剖模型、电动机原理示教装置，主要用于电动机内部结构展示、电动机工作原理演示。

5.4.1  电动机半剖模型

电动机半剖模型包括直流电动机半剖模型、三相异步电动机半剖模型、伺服电动机半剖模型、步进电动机半剖模型。以三相异步电动机、直流电动机、伺服电动机、步进电动机等实物电机为基础，采用线切割、激光切割等工艺进行局部解剖，各剖面彩色喷涂，使内外部件的机械结构和相互之间的装配关系清楚的显现，能够全面的展示各电动机的内外结构，示意图如图11所示。配套有模型展示桌，能够满足对电动机的内部结构及工作原理认知的教学需要。

（a）直流电动机半剖模型示意图	（b）三相异步电动机半剖模型示意图
（c）伺服电动机半剖模型示意图	（d）步进电动机半剖模型示意图
图11  电动机半剖模型示意图

电动机半剖模型主要配套设备如下表8所示。
表8                             主要配套设备

序号	名称	数量
1	直流电动机半剖模型	1套
2	三相异步电动机半剖模型	1套
3	伺服电动机半剖模型	1套
4	步进电动机半剖模型	1套

主要配套设备参数如下：
1、交流电动机半剖模型
采用工业实物三相异步电动机（额定功率≥0.55kW，额定转速≥1400rpm）进行局部解剖，各剖面彩色喷涂。
2、直流电动机半剖模型
采用工业实物直流电动机（额定功率≥0.35kW，额定转速≥1500rpm，电枢电压DC220V，励磁电压DC220V）进行局部解剖，各剖面彩色喷涂。
3、伺服电动机半剖模型
采用工业实物伺服电动机（额定功率≥0.4kW，转速≥3000r/min，额定转矩≥1.27N·M）进行局部解剖，各剖面彩色喷涂。
4、步进电动机半剖模型
采用工业实物两相步进电动机（机身长≥118mm,额定转矩≥8N·M）进行局部解剖，各剖面彩色喷涂。

5.4.2  电动机原理示教实验装置

电动机原理示教实验装置包括直流电动机模型、三相异步电动机模型、伺服电动机模型、步进电动机模型、三相电动机变极与调速原理演示仪、三相电流和旋转磁场演示仪，模型包含电动机主要结构，外壳为透明材料制成，如图12所示，用于演示电动机工作原理。

（a）直流电动机原理演示模型	（b）三相异步电动机原理演示模型
（c）伺服电动机原理演示模型	（d）步进电动机原理演示模型
（e）三相电动机变极与调速原理演示仪	（f）三相电流和旋转磁场演示仪
图12  发电机工作原理演示模型

电动机原理示教实验装置主要配套设备如下表9所示。
表9                       电动机原理示教实验装置主要配套设备

序号	名称	数量（套）
1	电动机原理演示平台	1
2	直流电动机原理演示模型	1
3	三相异步电动机原理演示模型	1
4	三相电动机变极与调速原理演示仪	1
5	三相电流和旋转磁场演示仪	1
6	步进电动机原理演示模型	1
7	伺服电动机原理演示模型	1

主要配套设备参数如下：
1、电动机原理演示平台
演示平台可放置演示各种电动机工作原理演示装置。配有电源控制模块，提供有AC380V、AC220V定压输出接口、三相AC380V（1.5kW）可调输出电源接口，各相交流电源电压配有LED数显指示。具有漏电保护、短路保护、接地保护等功能。
2、直流电动机原理演示模型
电机主要由透明有机玻璃壳体、定子、电刷、绕组转子、转轴、轴承、电源箱等部分组成。功率约60W,输入电压220V。
3、三相异步鼠笼式电动机原理演示模型
电机主要由透明壳体、绕组定子、转子、转轴、轴承、风叶，接线盒等部分组成，功率约80W，输入电压AC380V。
4、三相电动机变极与调速原理演示仪
电机采用全透明有机玻璃外壳制成，主要有绕组定子、转子、转轴、轴承、接线盒等部分组成。功率约80W，输入电压AC380V。
5、三相电流和旋转磁场演示仪
装置主要由透明有机玻璃外壳、绕组定子、转子、转轴、轴承等组成。功率约80W，输入电压AC380V。
6、步进电动机原理演示模型
装置采用三相步进电动机，电动机模型均可以跟真实电动机一样运行，便于学生在实验中可以观察整个实验过程和动作。功率约8W，输入电压220V。
7、伺服电机原理演示模型
装置主要由透明有机玻璃外壳、绕组定子、转子、转轴、轴承等组成。功率约80W，输入电压AC380V。
8、模型制作要求
Ø 透明电动机原理演示模型采用模具加工，一次成型，利用高精度加工工艺克服透明有机玻璃具有热塑性、容易变形及机械强度差的特点
Ø 模型内部结构按电动机原理制作，多种材料彩色配套，防锈、防潮、防霉，模型层次透视，正确反映发电机结构
Ø 防护等级：IP55
Ø 绝缘等级：B级
9、零部件质量
Ø 润滑油脂符合质量要求，油量适当，不漏油
Ø 电动机内部无积灰和油污，风道畅通
Ø 定转子绕组及铁芯无老化、变色松动现象
Ø 螺栓、螺母齐全，紧固
Ø 电源线路接线正确牢固，无裸露
Ø 运行时，转子轴向、周围窜动范围不超过0.5mm

 

关键词：PLC 电动机 控制器 变频器 电缆