趣味电动机控制进阶实验

实验题目：趣味电动机控制进阶实验

课程简要信息

课程名称：电工与电子技术

课程学时：40学时

项目学时：4学时+2学时（课内4学时，课外2学时）

适用专业：（车辆工程、能动、汽服、交运等非电类工科专业）

学生年级：（大一、第二学期）

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

本实验项目设计实现电动机的基本控制，设计过程实现了从电动机“正转-停止-反转”继电-接触器控制的Multisim虚拟仿真、电动机“正反转”继电-接触器控制的实验实操到电动机“正反转循环”控制的“PLC+HMI”仿真进阶三个阶段，实现了电路图绘制、仿真验证、认识与器件选型、安装接线、故障排查、运行与调试、验收与答辩、以及最后的撰写实验报告等完整的工程设计环节。激发了学生的实验兴趣，培养了学生的实际工程设计能力、现场调试与解决问题能力、以及自主创新意识。

本实验任务分为基本任务和拓展任务两部分，基本任务要求所有小组均得完成，拓展任务是针对基本任务完成仍有余力的学生，具体要求如下：

1.基本任务（必选）

1）基于继电-接触器控制，采用Multisim软件设计和仿真实现电动机“正转-停止-反转”控制

1. 完成电动机常用控制电路的故障排查；

2. 设计电动机“正转-停止-反转”继电-接触器控制电路，分主电路和控制电路进行设计，采用绘图软件CAD或者EPLAN完成图纸绘制，要求电动机启动后能够自锁，并实现正反转互锁；

3. 采用Multisim软件搭建电动机的“正转-停止-反转”继电-接触器控制电路，仿真电动机正反转的启动过程，并实现电机缺相运行、短路故障等的分析与诊断；

4. 设计电动机“正反转”继电-接触器控制电路，分主电路和控制电路进行设计，采用绘图软件CAD或者EPLAN完成图纸绘制，要求电动机启动后能够自锁，并实现正反转互锁；

2）基于继电-接触器控制，实现电动机“正反转”控制实操

1. 合理选择所需的电气元件，完成器件选型，列出器件目录清单，完成器件领用；

2. 完成电动机“正反转”继电-接触器控制电路的安装与接线；

3. 完成电路通电前的检查、通电试车和故障排查，最后实现系统正常运行。

4. 功能展示，验收答辩，完成自评与互评。

2.进阶仿真拓展任务（可选）

1）基于“PLC+HMI”控制，实现电动机“正反转循环”控制进阶仿真（控制过程可自拟）

1. 设计PLC控制实现电动机“正反转循环”控制的电路，分主电路和控制电路进行设计，采用绘图软件CAD或者EPLAN完成图纸绘制，并完成IO地址分配；

2. 编写PLC控制梯形图，实现电动机的“正反转循环”控制逻辑，实现按下启动按钮，电动机正转5s，停2s，反转5s，停2s，正转5s.....，如此循环；

3. 运行中，按下停止按钮，系统停止运行；

2. 在触摸屏TP700上实现上述同步状态的显示与控制

1. 触摸屏可对正转、反转以及停止的时间进行监控和设置；

2. 在触摸屏设置自动/手动操作模式，在自动模式下,电动机按照触摸屏设置好的电动机正转、反转以及停止的时间自动运行。在手动模式下,电动机根据触摸屏的手动操作进行正转、反转和停止等动作；

实验过程及要求（限300字）

实验前准备：

1. 网络教学平台发布实验指导书，明确实验目的、原理和任务；

2. 网络教学平台发布实验设备操作的微视频和安全培训微视频，明确操作规范和安全事项；

3. 完成实验分组，要求3-4人一组，并进行合理分角色分工；

4. 线上雨课堂完成电动机点动控制电路、连续控制电路以及正反转控制电路等电动机典型控制电路的限时排故闯关；

5. 查阅相关文献资料，确定控制方案，采用绘图软件CAD或者EPLAN绘制基于继电-接触器控制的电动机“正转-停止-反转”的主电路和控制电路；

6. 采用Multisim软件搭建基于继电-接触器控制的电动机“正转-停止-反转”电路，验证方案的正确性，并完成启动过程模拟，完成电机缺相、短路等运行故障的分析与诊断；

7. 方案完善，设计成熟的基于继电-接触器控制的电动机“正反转”控制电路，采用绘图软件CAD或者EPLAN完成图纸的绘制；

8. 网络教学平台提交预习思考题、仿真操作录屏文件和预习报告；

实验中实操：

1. 选件领件：根据设计方案，合理选择所需的电气元件，列出元器件清单，完成器件领用；

2. 安装接线：完成电动机“正反转”主电路和控制电路的安装与接线；

3. 通电调试：完成通电前的线路检查，进行系统通电调试和故障排查，实现电动机的“正反转”控制功能；

4. 验收答辩：按小组进行功能演示，组织答辩环节；

5. 总结交流：优秀实验案例展示，交流总结经验，完成自评和互评；

实验后总结与提高：

1. 完成仿真拓展任务；

2. 总结实验过程，整理实验资料；

3. 撰写实验报告；

相关知识及背景（限150字）

本实验是综合运用电工与电子技术解决实际问题的典型案例，也是高校电工与电子技术课程教学考核中的一项重要内容。本实验由三相异步电动机、熔断器、断路器、交流接触器、热继电器、中间继电器、按钮、指示灯、汇流排、计算机以及仿真软件等组成。涉及继电-接触器控制、电机控制、PLC控制、触摸屏监控、按钮指示灯控制、安全用电以及通讯技术等相关知识与技术方法，以及分析总结等工程概念和方法。该实验项目训练内容综合性强、难度适中，有助于学生综合创新能力培养。

实验环境条件

本实验需要的资源如下：

1. PC机一台，安装有西门子博图V14软件以及Multisim 14仿真软件；

2. 控制箱、低压电器及工具（如图1所示）；

3. 三相异步电动机（如图2所示）；

图1 控制箱、低压电器及工具

图2 三相异步电动机

教学目标与目的（限150字）

培养学生的自主学习能力、工程实践能力和创新思维，以学生为中心，实现应用型人才培养目标。

1. 熟悉常用低压电器及电工仪表的使用，掌握基本电气控制系统的原理与设计；

2. 学会采用虚拟仿真、继电-接触器控制和“PLC+HMI”控制实现电动机控制的基本方法及操作实践，能够分析和排查故障，具备一定的自动系统设计和工程实践能力；

3. 了解实际工程项目的完整设计流程，培养学生综合运用电工学知识解决工程实践问题的能力和创新意识；

教学设计与实施进程

本实验是一个以实际工程项目为依托的综合性设计实验，让学生建立起工程概念和知道规范化的设计流程。实验过程包括实验前、实验中和实验后三个阶段，以项目为载体，以任务为驱动，充分融入信息化教学手段，采用软硬件相结合，虚拟仿真与实操相结合的形式，促进理论知识和实践能力的有机融合，并促进思政元素融入实验教学当中。充分发挥学生的主体地位，引导学生自主学习与探索，并进一步推动学生创新能力的发展与提高。在实验过程中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

实验原理及方案

本实验依托虚拟仿真技术、继电-接触器控制技术以及“PLC+HMI”控制技术，通过对调三相异步电动机三相电源中的任意两相，结合低压电器的控制功能实现对三相异步电动机的正反转控制。

实验前的虚拟仿真环节，基于继电-接触器控制方式，采用Multisim软件搭建三相异步电动机“正转-停止-反转”控制的仿真电路，仿真实现三相异步电动机的正反转以及停止控制。仿真模拟三相异步电动机的启动过程、短路故障，并通过减小任何一相电源上所接熔断器的电流值，使其小于正常工作电流，从而实现电动机缺相运行模拟。通过仿真实现由于实验器材和安全因素的限制，实操不能实现的实验环节。

实验中的实操环节，基于继电-接触器控制方式，通过对三相异步电动机、断路器、熔断器、继电器、接触器、热继电器、以及按钮指示灯等的安装与接线，实现对三相异步电动机的“正反转”控制，并通过接触器联锁、按钮联锁或者接触器按钮双重联锁，以及引入时间继电器，来解决正转切换为反转过程中的手动停问题，实现成熟的基于继电-接触器控制方式的三相异步电动机的“正反转”控制。

实验后的仿真拓展环节，基于“PLC+HMI”控制方式，应用“PLC+HMI”控制技术改造传统继电-接触器控制的三相异步电动机“正反转”控制电路，通过PLC编写控制梯形图实现对三相异步电动机的“正反转循环”控制，并在触摸屏TP700上同步实现状态的显示与控制。

最终，通过三种方式进阶式实现对三相异步电动机控制系统的仿真模拟、安装接线、通电调试和实时监控，具体设计参考如下：

基于继电-接触器控制方式，电动机“正转-停止-反转”控制的虚拟仿真控制电路参考如图3所示：

图3 电动机“正转-停止-反转”控制的虚拟仿真控制电路图

基于继电-接触器控制方式，电动机“正反转”控制的实操控制电路参考如图4所示：

主回路 控制回路

图4 电动机“正反转”控制的实操控制电路图

基于“PLC+HMI”控制方式，电动机“正反转循环”控制的IO分配参考如下表1所示：

表1 IO分配表

基于“PLC+HMI”控制方式，电动机“正反转循环”控制的主回路与控制回路电路参考如图5所示：

主回路 控制回路

图5电动机“正反转循环”控制的电路图

基于“PLC+HMI”控制方式，电动机“正反转循环”控制的软件控制梯形图参考：

基于“PLC+HMI”控制方式，电动机“正反转循环”控制的触摸屏控制画面参考：

图6 触摸屏画面

实验报告要求

实验报告撰写要求：

1. 实验目的 简述实验目的；

2. 方案论证 查阅资料，确定系统控制方案，附上系统控制方案图；

3. 实验内容 根据完整的工程设计步骤，依次列出各个阶段的工作及相应的图表（元器件目录、控制接线图、仿真电路图、IO地址分配表、控制梯形图、触摸屏控制画面）及功能描述，并附仿真及实物控制过程照片；

4）实验心得总结 整理答辩问题，归纳总结实验过程、方法以及实验结果，本次实验的心得体会等；

考核要求与方法（限300字）

1. 实验素养（10%） 包含实验态度与纪律、出勤、卫生与安全用电；

2. 实验前预习（20%） 视频观看情况、预习思考题的回答情况、限时闯关的完成情况、实验方案的合理性、仿真录屏文件、预习报告内容的规范性和完整性；

3. 线下实操（40%）实验操作的规范性、实验任务的完成情况、回答问题的准确性、解决实验过程中问题、创新性以及组内成员的工作量和贡献度等方面进行考核。

4. 实验报告（20%） 实验过程中问题反思、总结情况、实验报告的规范性、完整性；

5. 实验拓展（10%） 自主创新、拓展设计完成程度；

项目特色或创新（可空缺，限150字）

1）采用分段式项目教学，以工程项目为载体，以分阶任务为驱动，以社会需求为导向，分阶梯逐递进的培养学生的工程化应用能力；

2）对接工业生产过程，创设工业生产情境，让学生身临其境、充分体验工业生产中各个角色的作用，激发学生的主观能动性，以学生为中心，注重全过程评价；

3）虚实结合，突破安全因素和实验设备限制，拓展了实验教学的时空维度，提高了实操效率，拓宽学生的设计思路、培养学生的创新思维；

4）知识涉及电工学的主要内容，知识覆盖面广，综合性强；