基于三菱FX2N系列PLC的開放式教學研究與實踐

張紅梅　潘岱　劉艷麗

摘 要 針對機電一體化專業(yè)、機械工程及其自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)提點，整合現(xiàn)有的實驗室設備和資源，提出了基于三菱FX2N系列PLC的開放式綜合教學方法，重點闡述了開放式教學方法的構建和實施過程。采用開放式教學模式進行實驗、實訓或畢業(yè)設計，可以使學生更好地掌握PLC的理論知識，并綜合運用其他的專業(yè)知識，激發(fā)了學生的興趣，使整體教學質量和教學效果得到了極大的提高。

關鍵詞 PLC 開放式教學 教學模式

0 引言

可編程控制器（簡稱PLC）是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、電氣控制技術、自動控制技術和通訊技術而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。已成為工業(yè)控制領域內占主導地位的基礎自動化設備。PLC的功能強大、可靠性高、實用方便，已廣泛應用于鋼鐵、冶金、機械加工、汽車制造、石油輕工、輕工食品、能源交通、污水處理等幾乎所有的工業(yè)領域。目前PLC仍處于不斷的發(fā)展之中，其功能不斷增強，通訊能力增強，在大型自動化網絡控制系統(tǒng)中占有不可動搖的地位。

本文介紹的基于三菱FX2N系列的PLC實驗系統(tǒng)，硬件采用模塊化結構，綜合性和應用性較強。整個實驗系統(tǒng)以開放性和設計性為主，改變了原有的單一實驗、單一設備或單一課程、單一實驗裝置的模式，可以滿足電氣控制技術、PLC原理及應用、PLC課程設計及畢業(yè)設計等多門課程教學、實驗和綜合實訓的需要。

1 開放式教學的目的和特征

PLC課程是機電一體化專業(yè)、機械工程及其自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)中一門重要的專業(yè)必修課，該課程的應用涵蓋了多門學科知識，包括：電機、電氣控制技術、繼電控制，PLC原理等，具有很強的理論性、實踐性和綜合應用性。傳統(tǒng)的PLC實驗多是在實訓臺、實驗箱或仿真軟件上完成，這些實驗設備上用按鈕、行程或限位開關等來模擬傳感器的輸出信號，用發(fā)光二極管模擬工業(yè)現(xiàn)場的電機，報警燈，蜂鳴器，以及工業(yè)現(xiàn)場的執(zhí)行機構等的輸出動作。這種傳統(tǒng)實驗模式直觀性較差，學生只能通過LED等的點亮情況來判斷程序運行的正確性，而不能接電機等實際的執(zhí)行機構。這種實驗屬于驗證性實驗，直觀性差，不夠開放。

開放式教學模式是在給定實驗目的和實驗設備的條件下，學生在給定的時間內，自己設計實驗方案，并完成整個實驗的硬件和軟件設計和調試過程。在這個實驗過程中，學生以小組為單位，通過自主學習，制定實驗方案，完成硬件原理圖的設計和組裝，進行軟件的編程，最終完成軟、硬件的調試。整個過程中，以學生為中心，以培養(yǎng)學生的綜合能力為目標；以教師為輔，教師是學生學習過程中的引導者和監(jiān)督者。

2 教學模式的構建與實施

PLC作為整個電氣控制系統(tǒng)的控制核心，不能獨立存在，必須和控制設備一起組成一個控制系統(tǒng)。在進行PLC開放式教學課程之前，學生必須先修以下課程的知識：電機、電氣控制技術、繼電控制、PLC原理；并且能夠把握每門課程之間的聯(lián)系和銜接關系。針對傳統(tǒng)的PLC教學模式的不足，我們在電氣和機電一體化專業(yè)進行了基于PLC的開放式教學模式的探索。

2.1 實驗室硬件設備

實驗室硬件設備配置是工科實驗室建設最基本的環(huán)節(jié)之一。實驗室購買了三菱FX2N系列PLC主機模塊和模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊，三菱A950GOT系列觸摸屏，三菱變頻器，聯(lián)想臺式電腦（配備三菱編程軟件、仿真軟件）等設備，同時，配備了四層電梯模型裝置、龍門吊裝置、紅綠燈等實驗配套裝置。此外實驗中心還有電氣控制實驗室和電機實驗室；購買了中間繼電器、熱繼電器、熔斷器、接觸器、按鈕開關、指示燈、彩燈等電器散件。這些實驗室硬件設備，為建設開放式PLC實驗室打下了良好基礎。

2.2 教學環(huán)節(jié)設計

對于一個完整的自動控制系統(tǒng)，PLC只是其中的控制核心，還必須包含控制對象。在整個開放式教學過程中，我們不僅要進行控制系統(tǒng)的設計，還必須要設計控制對象。根據(jù)實驗室的實驗設備情況，教師制定多個控制系統(tǒng)的設計，學生根據(jù)組員自身情況選擇一個來進行設計?？刂葡到y(tǒng)具體包括：（1）電動機的順序啟?？刂疲◣в|摸屏）；（2）三相交流異步電動機的調速控制；（3）四層電梯控制；（4）十字路口交通燈控制；（5）造型彩燈控制；（6）挖掘機模型控制。

2.3 開放式教學實踐

開放式教學模式是基于一個實際項目的教學，以學生的自主學習為主導，教師給出項目題目，并在教學實施過程中進行引導和輔導。學生根據(jù)自己的能力和愛好選擇項目題目，組成5～6人的團隊，一起完成項目的系統(tǒng)設計，原理設計，程序設計，聯(lián)機調試及總結報告的編寫。

以十字路口交通燈控制系統(tǒng)為例?？刂埔笕缦拢海?）設計雙向紅綠燈控制系統(tǒng)，要求每向車道能夠實現(xiàn)直行和左轉控制，四個路口紅綠燈控制；（2）通過按鈕和觸摸屏實現(xiàn)紅綠燈系統(tǒng)的兩地啟動和停止控制；（3）設有紅綠燈運行模式切換開關，并能夠實時監(jiān)控雙向車道的紅綠燈和人行橫道的紅綠燈的運行情況。

開放式教學實施過程分為6個階段：

（1）系統(tǒng)方案設計階段：該階段依據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定總體設計方案，包括硬件的選型和軟件流程的設計，初步確定輸入/輸出（I/O）分配。

本系統(tǒng)需要設計交通燈控制系統(tǒng)模型，采用AD16-22D/S 220V指示燈（紅、黃、綠）來模擬十字路口指示燈。

主要設備和器件有：三菱FX2N系列PLC主機（I/O點數(shù)為48點）和模擬量/數(shù)字量擴展模塊（I/O點數(shù)為24點），三菱A950GOT系列觸摸屏，2P漏電保護空開，熔斷器，AD16-22D/S 220V按鈕指示燈。

（2）模型及電氣原理設計階段：使用AutoCAD繪圖軟件對十字路口模型進行設計，并完成電氣原理圖、電氣元件布置圖、電氣安裝接線圖的繪制。完成后提交電子檔給指導老師，并展開小組討論方案的可行性，確定最終設計方案，并對實驗室不具備的元器件提交采購單。

（3）模型和控制電路的組裝：要求學生嚴格按照電氣元件安裝的國家或企業(yè)標準，進行模型的組裝和電路的安裝、接線和調試。完成后，學生可先自查，再由老師確認無誤后，方可進行上電調試。

（4）程序設計階段：根據(jù)控制要求完成觸摸屏程序和PLC控制程序的設計。

觸摸屏程序在軟件GT Designer3中完成，并GT Simulator2中進行仿真。PLC控制程序的設計包括系統(tǒng)的順序功能圖的設計及PLC程序的設計。

在該階段，教師可以對觸摸屏程序的設計和PLC順序控制系統(tǒng)編程設計進行入門講解，學生可通過查找資料及自學的方式完成程序的設計。

（5）聯(lián)機調試階段：在全部硬件組裝完成和程序設計完成后，就進入到程序設計階段。將程序下載到觸摸屏和PLC中后，上電測試，并詳細記錄上電后控制系統(tǒng)的運行情況，有問題小組分析討論，并對程序進行修改，直至功能完全實現(xiàn)。

（6）總結并提交報告階段：控制系統(tǒng)調試成功后，每個團隊成員根據(jù)所完成的任務提交一份完整的設計報告和控制系統(tǒng)操作說明書。教師根據(jù)小組的完成情況，組織學生進行答辯，并根據(jù)小組完成情況，進行綜合評價。

3 結束語

基于PLC的開放式教學是一種近工業(yè)應用的教學方式。在這種教學模式下，學生能夠綜合自己所學的專業(yè)知識，應用到項目的設計和實現(xiàn)中；在項目的實施過程中，遇到難題可以查找資料再學習。教師不再以講授課程為主，而是已學生自主學習為主，教師指導為輔。

學生能夠將所學的專業(yè)知識，應用到項目的實施過程中，增強了學生的自主學習的能力，提高了學習的積極性，取得了較好的教學成果。在完成整個控制系統(tǒng)的設計的過程中，大部分學生直接體會到了專業(yè)理論知識在工程實踐中的運用，使學生對實際的工程控制系統(tǒng)有一個完整的了解和把握，對將來從事的工作和行業(yè)有一個準確的定位。

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