电气自动化实验平台设计与开发

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1 绪论

1.1 本论文的课题背景
本论文的撰写过程是以中北大学•施耐德电气联合实验室的建设为背景的。施耐德电气成立于 1836 年，是一家致力于为能源及基础设施、工业、数据中心及网络等提供整体解决方案的法资企业，在输配电、工业电气控制和自动化等领域具有雄厚实力，处于世界领先地位，在住宅应用领域也拥有强大的市场能力，素有“全球能效管理专家”的美誉。施耐德电气自 1987 年进入中国，经历了在中国销售到在中国研发，为中国的经济发展和技术进步做出了很大的贡献，并且一直非常重视与中国优秀大学的合作，并把培育本地专业人才作为施耐德电气发展的重要策略之一[1]。施耐德电气于 2006 年启动其大学计划，旨在通过与中国顶尖高校间长期的双赢合作，改善中国高等教育质量，交流知识，并为青年人才提供支持和激励。施耐德电气大学计划一方面可以让学生加强动手能力，为其提供使之更具职场竞争力的实习经验，以此使学生受益，另一方面也可以帮助高校改善其整体教育环境，跟踪业界的最新技术，同时使“产、学、研”相结合。目前，施耐德电气已与清华大学、北京大学、上海交通大学等多所 985、211 大学建立了联合实验室。2013 年，施耐德电气大学计划与中北大学结合，共同建立了中北大学•施耐德电气联合实验室。中北大学•施耐德电气联合实验室致力于打造与国际电气及自动化接轨的工程实践环境，建立与真实工业环境一致的先进实验平台。该联合实验室的建立，有助于锻炼学生的工程实践能力和专业综合能力，有助于培养学生的创新精神和综合素质。
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1.2 电气自动化简介
要实现电气自动化技术则需要相应的电气自动化软件、硬件和系统[3]。现今比较常见并且运用广泛的电气自动化硬件有人机界面（终端和工控机）、可编程逻辑控制器、运动控制器、变频器、电机启动器、接触器和保护继电器、传感器、信号灯和指示灯、按钮和开关、断路器、电源及变压器和工业以太网交换机等。除了硬件之外还有电气自动化软件和电气自动化系统。人机界面包括触摸屏和工业控制计算机。触摸屏是近些年来市场上应用越来越广泛的一种设备，其最常见的应用是手机屏幕。触摸屏的特点是操作简单、信息直观、安静、省电、可靠性和稳定性强。因为其有这样的特点，现在在工业控制领域也得到广泛的应用，触摸屏使得工业控制更加直观和方便[4]。触摸屏以其可以编程的特点在取代传统按键后使得整个控制系统在作变动和更新时变得更加方便，成本更加低廉[5]。触摸屏的发展趋势是色彩越来越逼真、屏幕越来越大、像素密度越来越高。湿手操作、带手套操作、悬浮操作以及柔性材质屏幕是触摸屏最新的技术，更多新技术的加入一定会使得工业触摸屏带来更好的人机交互体验。工业控制计算机也简称 IPC[6]。在工业控制领域，计算机也同样得到了应用，这就是所谓的工业 PC 机。因为工业计算机的应用环境是工业控制，所以与普通计算机不同工业计算机有其特有的特点[7]。用途不同性能必然要求也不一样，工业计算机对工作温度的要求更广，除此之外，工业计算机在防尘、抗震动和抗干扰等方面有着更好的表现。IPC 对硬件性能的要求并不追求极致，只要够用能够满足控制要求即可，硬件的稳定性才是 IPC 的关键，要比普通计算机高很多[8]。因为稳定性一旦出现问题，工业生产过程就会出错，会造成很大价值的损失。
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2 电气自动化实验平台总体方案设计

2.1 电气自动化实验平台的设计思想
学校原有实验室设备单一，关于电气自动化这一领域原实验室只有 PLC，而且只能做最简单的逻辑控制。为了让学生更广泛、更全面、更直接的了解电气自动化的最新发展，有必要引进更多类型的工业控制设备，比如运动控制器、智能电机启动器、变频器、伺服驱动器、网络交换机以及总线型伺服驱动器等设备。学校原有的 PLC 实验室建成已经有十年以上的时间，不仅工业控制设备单一，而且 PLC 的控制功能也单一，只能针对输入输出进行逻辑控制。经过十多年的发展，现在主流的 PLC 可以进行高速计数和脉冲输出，不少型号的 PLC 可以进行模块扩展，比如通过配电模块、模拟输入输出模块、脉冲输出模块或者数字量输入输出模块的扩展以实现更多的功能。而且原有的 PLC 存在接口过少的问题，除了编程接口、电源和输入输出之外，几乎没什么可以扩展的接口。如此以来，现在常用的组态软件、触摸屏等新技术由于缺少更多的通信接口而无法与 PLC 兼容。因此，，解决 PLC 功能单一和接口过少的问题是设计新实验平台必须考虑的。实验平台灵活开放的设计思想是从实验的本质出发而考虑的。实验的本来目的就是通过自己所希望的硬件组合运行来得到一个与预期一样或者不一样的效果，从而达到学习和理解的目的，而不是像一个演示系统一样仅仅观看一下实验的现象。为了还原实验的本质，本次实验平台的设计遵循灵活开放的设计思想，尽量让设备的端口处于开放状态，当有需要或者有想法的时候可以灵活的组建控制系统。

2.2 电气自动化实验平台的构架
为了实现更多的功能，涉及更多不同种类的设备，也是为了体现学习由简单到复杂循序渐进的过程，所设计的电气自动化实验平台分为四种不同的配置，分别是电气自动化基本实验平台 A、电气自动化基本实验平台 B、综合自动化实验平台和运动控制实验平台。电气自动化基本实验平台 A 的架构如图 2.1 所示。该架构所涉及的设备有可编程控制器 M218、触摸屏 HMI GXO3501、变频器 ATV312、交流电机、智能型电机启动器、接触器和热过载继电器。该实验平台除了可以实现 PLC 基本逻辑控制之外，还可以实现触摸屏与 PLC 的通信，接触器加继电器的电机起动以及智能型电机启动器的电机起动和控制等。M218 可以通过串口与组态软件连接，实现组态软件对整个控制系统的监控。变频器可以运行多种工作模式，可以实现变频器直接对交流电机的调速，也可以使变频器受控于 M218，实现 PLC 对交流电机的调速。M218 也可以实现以太网通讯。
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3电气自动化基本实验平台的设计与开发
3.1 电气自动化基本实验平台的设备构成.........18
3.2 电气自动化教学实验的设计与开发.........21
3.3 PLC 变频器通信实验的设计.........28
3.4 PLC 以太网通信系统的设计.........33
3.5 基于 PTO 控制的单轴伺服系统.........39
4 综合自动化实验平台设计与开发
4..........48
4.2 CANopen 现场总线技术的背景.........49
4.3 基于 CANopen 现场总线的两轴伺服系统设计.........51
5 运动控制实验平台设计与开发5.1 运动控制实验平台的设备构成.........59
5.2 电子凸轮系统设计.........60
5.2.1 机械凸轮与电子凸轮.........60
5.2.2 电子凸轮系统硬件结构.........62
5.2.3 电子凸轮系统软件设计.........63
5.3 数控 CNC 控制系统设计..........70

5 运动控制实验平台设计与开发

5.1 运动控制实验平台的设备构成
平台采用施耐德 LMC058LF42S0 型运动控制器，可以实现多轴同步运动控制，速度及位置控制，高速计数和多种网络通信功能，同时支持模拟量和数字量输入输出拓展模块，以及通信模块的拓展。运动控制器可以实现多伺服轴的同时运动控制，其与 PLC最关键的不同就是可以控制两轴甚至多轴同时运动时各个轴之间的相对精度。运动控制器具有多轴联动控制的功能，因此，其在多电机联动控制的场合能够得到很好的应用。该运动控制器内置 CANmotion 总线主站，可以实现最多八轴的同步控制；内置 CANopen总线主站，用于 CANopen 总线型伺服系统的控制；内置编码器输入端口，可以针对外部编码器信息构建实时多轴运动控制调节系统。LMC058 可以实现速度、相对位置和绝对位置控制，可以建立虚拟轴，可以实现电子凸轮曲线控制、电子齿轮系统和插补及偏差补偿控制。通信方面内置以太网服务，可以实现 Ethernet IP Device 协议、Ethernet TCPModbus 协议和 Somachine 等协议的以太网通信，内置 RJ45 端口，可以实现 Modbus、RS232、RS485 协议的串行通信。实验平台伺服驱动器采用四个 Lexium32A 总线型伺服驱动器，分别驱动四个 400瓦的伺服电机 BSH0551T01A2A。Lexium32A 配置有 CAN 总线端口，可以灵活快速的搭建总线控制系统。Lexium32A 内置存储卡，可以保存驱动器参数设置信息，在更换设备时便于驱动器的快速设置。实验平台配备触摸屏 HMI STU855，该触摸屏配备 5.7 英寸彩色液晶屏幕，并可以用 U 盘进行程序下载，内置以太网通信模块，并支撑远程监控功能，配备一个 RJ45 标准的串行接口，支持 RS232/RS485 标准的串行通信。
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结论

本论文在中北大学•施耐德电气联合实验室建设这个背景下完成，按照由低到高、由易到难的顺序，对四种电气自动化实验平台的设计与开发进行了探讨。论文主要完成了以下内容：首先，以电气自动化基本实验平台 A 为背景，设计开发了十六个电气自动化教学实验；采用 Modbus 通信技术实现了 M218 对变频器的控制；针对 M218 的以太网功能，设计了以太网远程变频器控制系统；进一步对多 PLC 的以太网通信系统设计进行了探讨。以电气自动化基本实验平台 B 为背景，设计开发了基于 PTO 控制的单轴伺服系统。其次，以综合自动化实验平台为背景，简单阐述了 CANopen 现场总线技术的背景；针对 CANopen 总线型伺服驱动器 Lexium 32A，设计和开发了两轴的总线型伺服系统，并采用触摸屏设计了伺服系统的交互界面。最后，以运动控制实验平台为背景，针对运动控制器 LMC058 的电子凸轮功能，分别以三种不同的机械凸轮机构为例，对它们对应的电子凸轮系统的设计进行了探讨；针对 LMC058 的数控功能，设计并开发了数控 CNC 控制系统。
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参考文献（略）

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