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(shè)備和資源，提出了基于三菱FX2N系列PLC的開放式綜合教學(xué)方法，重點闡述了開放式教學(xué)方法的構(gòu)建和實施過程。采用開放式教學(xué)模式進行實驗、實訓(xùn)或畢業(yè)設(shè)計，可以使學(xué)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(xué)生的興趣，使整體教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果得到了極大的提高。

關(guān)鍵詞 PLC 開放式教學(xué) 教學(xué)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(shù)、電氣控制技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)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(lǐng)域內(nèi)占主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)自動化設(shè)備。PLC的功能強大、可靠性高、實用方便，已廣泛應(yīng)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(lǐng)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，綜合性和應(yīng)用性較強。整個實驗系統(tǒng)以開放性和設(shè)計性為主，改變了原有的單一實驗、單一設(shè)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(shù)、PLC原理及應(yīng)用、PLC課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計等多門課程教學(xué)、實驗和綜合實訓(xùn)的需要。

1 開放式教學(xué)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(yīng)用涵蓋了多門學(xué)科知識，包括：電機、電氣控制技術(shù)、繼電控制，PLC原理等，具有很強的理論性、實踐性和綜合應(yīng)用性。傳統(tǒng)的PLC實驗多是在實訓(xùn)臺、實驗箱或仿真軟件上完成，這些實驗設(shè)備上用按鈕、行程或限位開關(guān)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(gòu)等的輸出動作。這種傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ街庇^性較差，學(xué)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(gòu)。這種實驗屬于驗證性實驗，直觀性差，不夠開放。

開放式教學(xué)模式是在給定實驗?zāi)康暮蛯嶒炘O(shè)備的條件下，學(xué)生在給定的時間內(nèi)，自己設(shè)計實驗方案，并完成整個實驗的硬件和軟件設(shè)計和調(diào)試過程。在這個實驗過程中，學(xué)生以小組為單位，通過自主學(xué)習(xí)，制定實驗方案，完成硬件原理圖的設(shè)計和組裝，進行軟件的編程，最終完成軟、硬件的調(diào)試。整個過程中，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力為目標；以教師為輔，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的引導(dǎo)者和監(jiān)督者。

2 教學(xué)模式的構(gòu)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(shè)備一起組成一個控制系統(tǒng)。在進行PLC開放式教學(xué)課程之前，學(xué)生必須先修以下課程的知識：電機、電氣控制技術(shù)、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(guān)系。針對傳統(tǒng)的PLC教學(xué)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(xué)模式的探索。

2.1 實驗室硬件設(shè)備

實驗室硬件設(shè)備配置是工科實驗室建設(shè)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(shè)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(guān)、指示燈、彩燈等電器散件。這些實驗室硬件設(shè)備，為建設(shè)開放式PLC實驗室打下了良好基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)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(xué)過程中，我們不僅要進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，還必須要設(shè)計控制對象。根據(jù)實驗室的實驗設(shè)備情況，教師制定多個控制系統(tǒng)的設(shè)計，學(xué)生根據(jù)組員自身情況選擇一個來進行設(shè)計。控制系統(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(diào)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(xué)實踐

開放式教學(xué)模式是基于一個實際項目的教學(xué)，以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為主導(dǎo)，教師給出項目題目，并在教學(xué)實施過程中進行引導(dǎo)和輔導(dǎo)。學(xué)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(shè)計，原理設(shè)計，程序設(shè)計，聯(lián)機調(diào)試及總結(jié)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(shè)計雙向紅綠燈控制系統(tǒng)，要求每向車道能夠?qū)崿F(xiàn)直行和左轉(zhuǎn)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(shè)有紅綠燈運行模式切換開關(guān)，并能夠?qū)崟r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(xué)實施過程分為6個階段：

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

本系統(tǒng)需要設(shè)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(shè)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(shè)計階段：使用AutoCAD繪圖軟件對十字路口模型進行設(shè)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(dǎo)老師，并展開小組討論方案的可行性，確定最終設(shè)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(xué)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(diào)試。完成后，學(xué)生可先自查，再由老師確認無誤后，方可進行上電調(diào)試。

（4）程序設(shè)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(shè)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(shè)計包括系統(tǒng)的順序功能圖的設(shè)計及PLC程序的設(shè)計。

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

（5）聯(lián)機調(diào)試階段：在全部硬件組裝完成和程序設(shè)計完成后，就進入到程序設(shè)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(jié)并提交報告階段：控制系統(tǒng)調(diào)試成功后，每個團隊成員根據(jù)所完成的任務(wù)提交一份完整的設(shè)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(xué)生進行答辯，并根據(jù)小組完成情況，進行綜合評價。

3 結(jié)束語

基于PLC的開放式教學(xué)是一種近工業(yè)應(yīng)用的教學(xué)方式。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生能夠綜合自己所學(xué)的專業(yè)知識，應(yīng)用到項目的設(shè)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(xué)習(xí)。教師不再以講授課程為主，而是已學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔。

學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的專業(yè)知識，應(yīng)用到項目的實施過程中，增強了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的能力，提高了學(xué)習(xí)的積極性，取得了較好的教學(xué)成果。在完成整個控制系統(tǒng)的設(shè)計的過程中，大部分學(xué)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(xué)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。

參考文獻

[1] 張祥，楊志剛.基于模塊化S7-200PLC的開放實驗室研究與實踐[J].重慶與世界，2014.31（10）：101-103.

[2] 游珍珍. PLC實驗教學(xué)中的開放式思維教學(xué)法研究[J].中國電力教育，2014（33）：106-107.

[3] 余傳祥，侯世英，鄧力，李昌春.可編程控制器開放自主實驗?zāi)Ｊ降乃伎寂c實踐[J].實驗室研究與探索，2011.30（4）：114-116.

[4] 韓軍，常瑞麗.基于工控機和PLC的過程裝備控制實驗系統(tǒng)開發(fā)[J].機床與液壓，2011.39（12）：98-100.

[5] 屈剛.案例教學(xué)法在PLC教學(xué)中的運用與探索[J].職業(yè)，2012（20）：150-150.

[6] 郭丙君.PLC實驗教學(xué)探討[J].科技信息，2011（7）：482-483.

[7] 李海波.PLC應(yīng)用技術(shù)項目化教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.