本文關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)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(xiě)過(guò)程是以中北大學(xué)•施耐德電氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(dòng)化等領(lǐng)域具有雄厚實(shí)力，處于世界領(lǐng)先地位，在住宅應(yīng)用領(lǐng)域也擁有強(qiáng)大的市場(chǎng)能力，素有“全球能效管理專(zhuān)家”的美譽(yù)。施耐德電氣自 1987 年進(jìn)入中國(guó)，經(jīng)歷了在中國(guó)銷(xiāo)售到在中國(guó)研發(fā)，為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步做出了很大的貢獻(xiàn)，并且一直非常重視與中國(guó)優(yōu)秀大學(xué)的合作，并把培育本地專(zhuān)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(dòng)其大學(xué)計(jì)劃，旨在通過(guò)與中國(guó)頂尖高校間長(zhǎng)期的雙贏合作，改善中國(guó)高等教育質(zhì)量，交流知識(shí)，并為青年人才提供支持和激勵(lì)。施耐德電氣大學(xué)計(jì)劃一方面可以讓學(xué)生加強(qiáng)動(dòng)手能力，為其提供使之更具職場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，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(shí)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(shí)驗(yàn)室。2013 年，施耐德電氣大學(xué)計(jì)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(shí)驗(yàn)室。中北大學(xué)•施耐德電氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室致力于打造與國(guó)際電氣及自動(dòng)化接軌的工程實(shí)踐環(huán)境，建立與真實(shí)工業(yè)環(huán)境一致的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的建立，有助于鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力和專(zhuān)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(dòng)化簡(jiǎn)介
要實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化技術(shù)則需要相應(yīng)的電氣自動(dòng)化軟件、硬件和系統(tǒng)[3]。現(xiàn)今比較常見(jiàn)并且運(yùn)用廣泛的電氣自動(dòng)化硬件有人機(jī)界面（終端和工控機(jī)）、可編程邏輯控制器、運(yùn)動(dòng)控制器、變頻器、電機(jī)啟動(dòng)器、接觸器和保護(hù)繼電器、傳感器、信號(hào)燈和指示燈、按鈕和開(kāi)關(guān)、斷路器、電源及變壓器和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等。除了硬件之外還有電氣自動(dòng)化軟件和電氣自動(dòng)化系統(tǒng)。人機(jī)界面包括觸摸屏和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。觸摸屏是近些年來(lái)市場(chǎng)上應(yīng)用越來(lái)越廣泛的一種設(shè)備，其最常見(jiàn)的應(yīng)用是手機(jī)屏幕。觸摸屏的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、信息直觀、安靜、省電、可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)。因?yàn)槠溆羞@樣的特點(diǎn)，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(diǎn)在取代傳統(tǒng)按鍵后使得整個(gè)控制系統(tǒng)在作變動(dòng)和更新時(shí)變得更加方便，成本更加低廉[5]。觸摸屏的發(fā)展趨勢(shì)是色彩越來(lái)越逼真、屏幕越來(lái)越大、像素密度越來(lái)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(huì)使得工業(yè)觸摸屏帶來(lái)更好的人機(jī)交互體驗(yàn)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)也簡(jiǎn)稱(chēng) IPC[6]。在工業(yè)控制領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)也同樣得到了應(yīng)用，這就是所謂的工業(yè) PC 機(jī)。因?yàn)楣�業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用環(huán)境是工業(yè)控制，所以與普通計(jì)算機(jī)不同工業(yè)計(jì)算機(jī)有其特有的特點(diǎn)[7]。用途不同性能必然要求也不一樣，工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)工作溫度的要求更廣，除此之外，工業(yè)計(jì)算機(jī)在防塵、抗震動(dòng)和抗干擾等方面有著更好的表現(xiàn)。IPC 對(duì)硬件性能的要求并不追求極致，只要夠用能夠滿(mǎn)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(jì)算機(jī)高很多[8]。因?yàn)榉�(wěn)定性一旦出現(xiàn)問(wèn)題，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程就會(huì)出錯(cuò)，會(huì)造成很大價(jià)值的損失。
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2 電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想
學(xué)校原有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備單一，關(guān)于電氣自動(dòng)化這一領(lǐng)域原實(shí)驗(yàn)室只有 PLC，而且只能做最簡(jiǎn)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(dòng)化的最新發(fā)展，有必要引進(jìn)更多類(lèi)型的工業(yè)控制設(shè)備，比如運(yùn)動(dòng)控制器、智能電機(jī)啟動(dòng)器、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及總線型伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備。學(xué)校原有的 PLC 實(shí)驗(yàn)室建成已經(jīng)有十年以上的時(shí)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(duì)輸入輸出進(jìn)行邏輯控制。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，現(xiàn)在主流的 PLC 可以進(jìn)行高速計(jì)數(shù)和脈沖輸出，不少型號(hào)的 PLC 可以進(jìn)行模塊擴(kuò)展，比如通過(guò)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(kuò)展以實(shí)現(xiàn)更多的功能。而且原有的 PLC 存在接口過(guò)少的問(wèn)題，除了編程接口、電源和輸入輸出之外，幾乎沒(méi)什么可以擴(kuò)展的接口。如此以來(lái)，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(wú)法與 PLC 兼容。因此，，解決 PLC 功能單一和接口過(guò)少的問(wèn)題是設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必須考慮的。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)靈活開(kāi)放的設(shè)計(jì)思想是從實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)出發(fā)而考慮的。實(shí)驗(yàn)的本來(lái)目的就是通過(guò)自己所希望的硬件組合運(yùn)行來(lái)得到一個(gè)與預(yù)期一樣或者不一樣的效果，從而達(dá)到學(xué)習(xí)和理解的目的，而不是像一個(gè)演示系統(tǒng)一樣僅僅觀看一下實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。為了還原實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，本次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)遵循靈活開(kāi)放的設(shè)計(jì)思想，盡量讓設(shè)備的端口處于開(kāi)放狀態(tài)，當(dāng)有需要或者有想法的時(shí)候可以靈活的組建控制系統(tǒng)。

2.2 電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)架
為了實(shí)現(xiàn)更多的功能，涉及更多不同種類(lèi)的設(shè)備，也是為了體現(xiàn)學(xué)習(xí)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜循序漸進(jìn)的過(guò)程，所設(shè)計(jì)的電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為四種不同的配置，分別是電氣自動(dòng)化基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái) A、電氣自動(dòng)化基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái) B、綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電氣自動(dòng)化基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 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(jī)、智能型電機(jī)啟動(dòng)器、接觸器和熱過(guò)載繼電器。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了可以實(shí)現(xiàn) PLC 基本邏輯控制之外，還可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏與 PLC 的通信，接觸器加繼電器的電機(jī)起動(dòng)以及智能型電機(jī)啟動(dòng)器的電機(jī)起動(dòng)和控制等。M218 可以通過(guò)串口與組態(tài)軟件連接，實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控。變頻器可以運(yùn)行多種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)變頻器直接對(duì)交流電機(jī)的調(diào)速，也可以使變頻器受控于 M218，實(shí)現(xiàn) PLC 對(duì)交流電機(jī)的調(diào)速。M218 也可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。
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3電氣自動(dòng)化基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
3.1 電氣自動(dòng)化基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備構(gòu)成.........18
3.2 電氣自動(dòng)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).........21
3.3 PLC 變頻器通信實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì).........28
3.4 PLC 以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì).........33
3.5 基于 PTO 控制的單軸伺服系統(tǒng).........39
4 綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
4..........48
4.2 CANopen 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的背景.........49
4.3 基于 CANopen 現(xiàn)場(chǎng)總線的兩軸伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì).........51
5 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)5.1 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備構(gòu)成.........59
5.2 電子凸輪系統(tǒng)設(shè)計(jì).........60
5.2.1 機(jī)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(jì).........63
5.3 數(shù)控 CNC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)..........70

5 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

5.1 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備構(gòu)成
平臺(tái)采用施耐德 LMC058LF42S0 型運(yùn)動(dòng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)多軸同步運(yùn)動(dòng)控制，速度及位置控制，高速計(jì)數(shù)和多種網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時(shí)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(yùn)動(dòng)控制器可以實(shí)現(xiàn)多伺服軸的同時(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)軸之間的相對(duì)精度。運(yùn)動(dòng)控制器具有多軸聯(lián)動(dòng)控制的功能，因此，其在多電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的場(chǎng)合能夠得到很好的應(yīng)用。該運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)置 CANmotion 總線主站，可以實(shí)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(duì)外部編碼器信息構(gòu)建實(shí)時(shí)多軸運(yùn)動(dòng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。LMC058 可以實(shí)現(xiàn)速度、相對(duì)位置和絕對(duì)位置控制，可以建立虛擬軸，可以實(shí)現(xiàn)電子凸輪曲線控制、電子齒輪系統(tǒng)和插補(bǔ)及偏差補(bǔ)償控制。通信方面內(nèi)置以太網(wǎng)服務(wù)，可以實(shí)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(shí)現(xiàn) Modbus、RS232、RS485 協(xié)議的串行通信。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器采用四個(gè) Lexium32A 總線型伺服驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)四個(gè) 400瓦的伺服電機(jī) 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(chǔ)卡，可以保存驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置信息，在更換設(shè)備時(shí)便于驅(qū)動(dòng)器的快速設(shè)置。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(pán)進(jìn)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(gè) 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(shí)驗(yàn)室建設(shè)這個(gè)背景下完成，按照由低到高、由易到難的順序，對(duì)四種電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)進(jìn)行了探討。論文主要完成了以下內(nèi)容：首先，以電氣自動(dòng)化基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái) A 為背景，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了十六個(gè)電氣自動(dòng)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)；采用 Modbus 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 M218 對(duì)變頻器的控制；針對(duì) M218 的以太網(wǎng)功能，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)遠(yuǎn)程變頻器控制系統(tǒng)；進(jìn)一步對(duì)多 PLC 的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。以電氣自動(dòng)化基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái) B 為背景，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于 PTO 控制的單軸伺服系統(tǒng)。其次，以綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為背景，簡(jiǎn)單闡述了 CANopen 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的背景；針對(duì) CANopen 總線型伺服驅(qū)動(dòng)器 Lexium 32A，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了兩軸的總線型伺服系統(tǒng)，并采用觸摸屏設(shè)計(jì)了伺服系統(tǒng)的交互界面。最后，以運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為背景，針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器 LMC058 的電子凸輪功能，分別以三種不同的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)為例，對(duì)它們對(duì)應(yīng)的電子凸輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討；針對(duì) LMC058 的數(shù)控功能，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了數(shù)控 CNC 控制系統(tǒng)。
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參考文獻(xiàn)（略）

  本文關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。