張紅梅　潘岱　劉艷麗

摘 要 針對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)、機(jī)械工程及其自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)提點(diǎn)，整合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和資源，提出了基于三菱FX2N系列PLC的開(kāi)放式綜合教學(xué)方法，重點(diǎn)闡述了開(kāi)放式教學(xué)方法的構(gòu)建和實(shí)施過(guò)程。采用開(kāi)放式教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)或畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以使學(xué)生更好地掌握PLC的理論知識(shí)，并綜合運(yùn)用其他的專業(yè)知識(shí)，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(kāi)放式教學(xué) 教學(xué)模式

0 引言

可編程控制器（簡(jiǎn)稱PLC）是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電氣控制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備。PLC的功能強(qiáng)大、可靠性高、實(shí)用方便，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、機(jī)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(qiáng)，通訊能力增強(qiáng)，在大型自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中占有不可動(dòng)搖的地位。

本文介紹的基于三菱FX2N系列的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，綜合性和應(yīng)用性較強(qiáng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以開(kāi)放性和設(shè)計(jì)性為主，改變了原有的單一實(shí)驗(yàn)、單一設(shè)備或單一課程、單一實(shí)驗(yàn)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(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等多門課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)訓(xùn)的需要。

1 開(kāi)放式教學(xué)的目的和特征

PLC課程是機(jī)電一體化專業(yè)、機(jī)械工程及其自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)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(shí)，包括：電機(jī)、電氣控制技術(shù)、繼電控制，PLC原理等，具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和綜合應(yīng)用性。傳統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)多是在實(shí)訓(xùn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)箱或仿真軟件上完成，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備上用按鈕、行程或限位開(kāi)關(guān)等來(lái)模擬傳感器的輸出信號(hào)，用發(fā)光二極管模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)，報(bào)警燈，蜂鳴器，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的輸出動(dòng)作。這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街庇^性較差，學(xué)生只能通過(guò)LED等的點(diǎn)亮情況來(lái)判斷程序運(yùn)行的正確性，而不能接電機(jī)等實(shí)際的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，直觀性差，不夠開(kāi)放。

開(kāi)放式教學(xué)模式是在給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)設(shè)備的條件下，學(xué)生在給定的時(shí)間內(nèi)，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的硬件和軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生以小組為單位，通過(guò)自主學(xué)習(xí)，制定實(shí)驗(yàn)方案，完成硬件原理圖的設(shè)計(jì)和組裝，進(jìn)行軟件的編程，最終完成軟、硬件的調(diào)試。整個(gè)過(guò)程中，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力為目標(biāo)；以教師為輔，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的引導(dǎo)者和監(jiān)督者。

2 教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施

PLC作為整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的控制核心，不能獨(dú)立存在，必須和控制設(shè)備一起組成一個(gè)控制系統(tǒng)。在進(jìn)行PLC開(kāi)放式教學(xué)課程之前，學(xué)生必須先修以下課程的知識(shí)：電機(jī)、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(duì)傳統(tǒng)的PLC教學(xué)模式的不足，我們?cè)陔姎夂蜋C(jī)電一體化專業(yè)進(jìn)行了基于PLC的開(kāi)放式教學(xué)模式的探索。

2.1 實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備配置是工科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)最基本的環(huán)節(jié)之一。實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買了三菱FX2N系列PLC主機(jī)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(tái)式電腦（配備三菱編程軟件、仿真軟件）等設(shè)備，同時(shí)，配備了四層電梯模型裝置、龍門吊裝置、紅綠燈等實(shí)驗(yàn)配套裝置。此外實(shí)驗(yàn)中心還有電氣控制實(shí)驗(yàn)室和電機(jī)實(shí)驗(yàn)室；購(gòu)買了中間繼電器、熱繼電器、熔斷器、接觸器、按鈕開(kāi)關(guān)、指示燈、彩燈等電器散件。這些實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備，為建設(shè)開(kāi)放式PLC實(shí)驗(yàn)室打下了良好基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)，PLC只是其中的控制核心，還必須包含控制對(duì)象。在整個(gè)開(kāi)放式教學(xué)過(guò)程中，我們不僅要進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還必須要設(shè)計(jì)控制對(duì)象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況，教師制定多個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)生根據(jù)組員自身情況選擇一個(gè)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)具體包括：（1）電動(dòng)機(jī)的順序啟停控制（帶觸摸屏）；（2）三相交流異步電動(dòng)機(jī)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(jī)模型控制。

2.3 開(kāi)放式教學(xué)實(shí)踐

開(kāi)放式教學(xué)模式是基于一個(gè)實(shí)際項(xiàng)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(xiàng)目題目，并在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行引導(dǎo)和輔導(dǎo)。學(xué)生根據(jù)自己的能力和愛(ài)好選擇項(xiàng)目題目，組成5～6人的團(tuán)隊(duì)，一起完成項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，原理設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)，聯(lián)機(jī)調(diào)試及總結(jié)報(bào)告的編寫(xiě)。

以十字路口交通燈控制系統(tǒng)為例?？刂埔笕缦拢海?）設(shè)計(jì)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(gè)路口紅綠燈控制；（2）通過(guò)按鈕和觸摸屏實(shí)現(xiàn)紅綠燈系統(tǒng)的兩地啟動(dòng)和停止控制；（3）設(shè)有紅綠燈運(yùn)行模式切換開(kāi)關(guān)，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控雙向車道的紅綠燈和人行橫道的紅綠燈的運(yùn)行情況。

開(kāi)放式教學(xué)實(shí)施過(guò)程分為6個(gè)階段：

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

本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)模型，采用AD16-22D/S 220V指示燈（紅、黃、綠）來(lái)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(jī)（I/O點(diǎn)數(shù)為48點(diǎn)）和模擬量/數(shù)字量擴(kuò)展模塊（I/O點(diǎn)數(shù)為24點(diǎn)），三菱A950GOT系列觸摸屏，2P漏電保護(hù)空開(kāi)，熔斷器，AD16-22D/S 220V按鈕指示燈。

（2）模型及電氣原理設(shè)計(jì)階段：使用AutoCAD繪圖軟件對(duì)十字路口模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(kāi)小組討論方案的可行性，確定最終設(shè)計(jì)方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室不具備的元器件提交采購(gòu)單。

（3）模型和控制電路的組裝：要求學(xué)生嚴(yán)格按照電氣元件安裝的國(guó)家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)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(rèn)無(wú)誤后，方可進(jìn)行上電調(diào)試。

（4）程序設(shè)計(jì)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(jì)。

觸摸屏程序在軟件GT Designer3中完成，并GT Simulator2中進(jìn)行仿真。PLC控制程序的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的順序功能圖的設(shè)計(jì)及PLC程序的設(shè)計(jì)。

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

（5）聯(lián)機(jī)調(diào)試階段：在全部硬件組裝完成和程序設(shè)計(jì)完成后，就進(jìn)入到程序設(shè)計(jì)階段。將程序下載到觸摸屏和PLC中后，上電測(cè)試，并詳細(xì)記錄上電后控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，有問(wèn)題小組分析討論，并對(duì)程序進(jìn)行修改，直至功能完全實(shí)現(xiàn)。

（6）總結(jié)并提交報(bào)告階段：控制系統(tǒng)調(diào)試成功后，每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)所完成的任務(wù)提交一份完整的設(shè)計(jì)報(bào)告和控制系統(tǒng)操作說(shuō)明書(shū)。教師根據(jù)小組的完成情況，組織學(xué)生進(jìn)行答辯，并根據(jù)小組完成情況，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC的開(kāi)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(shí)，應(yīng)用到項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中；在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)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(shí)，應(yīng)用到項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，增強(qiáng)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(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的過(guò)程中，大部分學(xué)生直接體會(huì)到了專業(yè)理論知識(shí)在工程實(shí)踐中的運(yùn)用，使學(xué)生對(duì)實(shí)際的工程控制系統(tǒng)有一個(gè)完整的了解和把握，對(duì)將來(lái)從事的工作和行業(yè)有一個(gè)準(zhǔn)確的定位。

參考文獻(xiàn)

[1] 張祥，楊志剛.基于模塊化S7-200PLC的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)踐[J].重慶與世界，2014.31（10）：101-103.

[2] 游珍珍. PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的開(kāi)放式思維教學(xué)法研究[J].中國(guó)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(kāi)放自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降乃伎寂c實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011.30（4）：114-116.

[4] 韓軍，常瑞麗.基于工控機(jī)和PLC的過(guò)程裝備控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].機(jī)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(yùn)用與探索[J].職業(yè)，2012（20）：150-150.

[6] 郭丙君.PLC實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目化教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.