劉起漢

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程學(xué)院，福建 三明 366000）

“電氣控制與PLC 技術(shù)”是針對(duì)電氣自動(dòng)化、電力控制及維護(hù)等領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的課程，在當(dāng)今日益發(fā)展的電力工業(yè)中，人們需要運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的平衡控制，保證電氣設(shè)備的運(yùn)行安全與穩(wěn)定性[1]。通過學(xué)習(xí)“電氣控制與PLC 技術(shù)”，學(xué)生能夠深入了解電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制的原理和方法，具備獨(dú)立分析和解決電控自動(dòng)化系統(tǒng)中的問題的能力和技術(shù)，為發(fā)電廠及電力系統(tǒng)的實(shí)際工作提供重要的幫助。

“電氣控制與PLC 技術(shù)”作為發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，要求學(xué)生結(jié)合基礎(chǔ)理論知識(shí)，具有一定的實(shí)踐能力。然而，目前高職院校在進(jìn)行課程教學(xué)時(shí)，仍存在一定的難題，具體表現(xiàn)在：“電氣控制及PLC 技術(shù)”面向企業(yè)生產(chǎn)，知識(shí)點(diǎn)偏向于實(shí)際應(yīng)用且抽象，往往需要結(jié)合實(shí)際的工程實(shí)例進(jìn)行教學(xué)；學(xué)生對(duì)教師純理論的課堂容易出現(xiàn)疲倦狀態(tài)，在課堂上容易走神，久而久之，學(xué)生失去了學(xué)習(xí)這門課程的興趣；PLC 實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般比較昂貴，應(yīng)用的場(chǎng)景也比較多，需要很多對(duì)應(yīng)的教學(xué)設(shè)備來輔助教學(xué)，但很多學(xué)校資金有限，無力支撐多場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使學(xué)生缺乏很多練習(xí)機(jī)會(huì)。

此外，由于電器元件和PLC 設(shè)備的工作電壓一般在人體安全電壓以上，因此應(yīng)用實(shí)際設(shè)備教學(xué)時(shí)，需考慮學(xué)生的使用安全問題。考慮到目前的教學(xué)現(xiàn)狀，在教學(xué)中采用FX-TRN-BEG-C 仿真系統(tǒng)，以提高課堂的教學(xué)效果[2]。

1 三菱FX-TRN-BEG-C 仿真軟件的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

1.1 FX-TRN-BEG-C 仿真軟件介紹

FX-TRN-BEG-C 仿真教學(xué)系統(tǒng)是一種基于Mitsubishi Electric FX 系列PLC 的仿真軟件，可以為學(xué)生提供較為真實(shí)的PLC 編程環(huán)境。FX-TRN-BEG-C 仿真軟件畫面配置如圖1 所示，畫面主要包括：用來顯示練習(xí)指導(dǎo)和操作方法的索引窗口，具有簡(jiǎn)易操作按鈕的遠(yuǎn)程控制窗口，模擬機(jī)械動(dòng)作的3D 畫面仿真，編寫PLC 程序的梯形圖程序區(qū)域，顯示輸入和輸出信號(hào)的I/O 映像表，以及具有簡(jiǎn)易開關(guān)和輸出燈的操作面板。此外，此軟件具有梯形圖編輯模塊，仿真時(shí)無需通過三菱的編程軟件GX Developer 編寫程序，編程的方式與工程編程軟件一致，便于教學(xué)[3]。

圖1 FX-TRN-BEG-C 仿真軟件畫面配置圖

單擊遠(yuǎn)程控制窗口“梯形圖編輯”按鈕，在梯形圖程序區(qū)域編輯設(shè)計(jì)程序，單擊控制窗口中的“PLC寫入”按鈕，即可完成PLC 程序的上載任務(wù)，將程序?qū)懭敕抡娴囊言诰€聯(lián)機(jī)好的FX2N-48MR 可編程控制器，寫入之后，便可以通過控制操作界面的按鈕和開關(guān)，控制程序的開始，仿真驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行，設(shè)備的動(dòng)作情況會(huì)在3D 仿真畫面顯示。以便使用者實(shí)際觀察整個(gè)動(dòng)作的情況，根據(jù)反應(yīng)的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)試工作。

1.2 FX-TRN-BEG-C 仿真軟件的優(yōu)勢(shì)

在FX-TRN-BEG-C 仿真教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，了解PLC 的基本原理和應(yīng)用方法，并通過實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)提高自己的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。學(xué)生可以通過系統(tǒng)中的仿真實(shí)驗(yàn)來模擬真實(shí)的PLC 控制維護(hù)與調(diào)試，如開關(guān)量輸入的編程、調(diào)試。通過這些仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以充分了解電氣控制的各種情況，學(xué)生可以體驗(yàn)實(shí)際的電氣控制和PLC 技術(shù)操作，模擬各種實(shí)際情況，并在過程中學(xué)會(huì)尋找解決問題的方法。通過仿真操作，學(xué)生不僅能夠掌握基本的電氣控制理論知識(shí)和PLC 編程技能，還可以學(xué)會(huì)利用PLC 編程進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維修。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以接觸到各種實(shí)際的操作場(chǎng)景，例如利用PLC 控制工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)線。學(xué)生可以通過仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)如何編制PLC 程序，以及如何運(yùn)用PLC 完成開關(guān)量控制工作。此外，學(xué)生還可以通過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)PLC 控制的各種情況下錯(cuò)誤情況進(jìn)行分析和解決，以進(jìn)一步加深對(duì)PLC 技術(shù)的掌握。因此，F(xiàn)X-TRN-BEG-C 仿真教學(xué)系統(tǒng)是一種非常有效的PLC仿真實(shí)訓(xùn)工具，可以幫助學(xué)生掌握PLC 的基本原理和應(yīng)用技能，并為他們未來的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

同時(shí)，F(xiàn)X-TRN-BEG-C 仿真教學(xué)系統(tǒng)還具有如下優(yōu)勢(shì)：可以有效降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，不需要購買真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，也無需學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)；教學(xué)資源可共享，“云實(shí)驗(yàn)”能夠適用于很多學(xué)校、機(jī)構(gòu)，不局限于地域范圍內(nèi)的學(xué)習(xí)；仿真實(shí)驗(yàn)也具有時(shí)間靈活、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際需求和時(shí)間計(jì)劃進(jìn)行安排，用最短的時(shí)間讓學(xué)生掌握最多的技能。

2 FX-TRN-BEG-C 仿真教學(xué)示例

為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，與傳統(tǒng)教學(xué)不同，教師不再簡(jiǎn)單地演示操作過程，而是通過引入簡(jiǎn)單項(xiàng)目的方法，從簡(jiǎn)到繁，循序漸進(jìn)，讓學(xué)生充分理解控制要求后，思考如何用所學(xué)的“電氣控制與PLC 技術(shù)”來解決問題，利用仿真教學(xué)系統(tǒng)，完成教師布置的任務(wù)，通過仿真演示結(jié)果分析調(diào)試，不斷完善控制要求。以福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)“電氣控制與PLC 技術(shù)”課程中的實(shí)踐教學(xué)為例，選擇車庫自動(dòng)門作為教學(xué)示例演示。

2.1 分析仿真項(xiàng)目要求

教師分配項(xiàng)目提出任務(wù)要求，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)。啟動(dòng) FX-TRN-BEG-C 仿真軟件，打開如圖2的所示的“F-1.自動(dòng)門操作”模塊，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中記錄將觀察到的硬件。該項(xiàng)目的硬件組成包括：FX2N-48MR 可編程控制器（已在線聯(lián)機(jī)好），輸入部分有入/出口傳感器、卷簾門上/下限位開關(guān)，輸出部分有卷簾門上升/下降執(zhí)行機(jī)構(gòu)、指示燈、蜂鳴器。這些硬件都與實(shí)際設(shè)計(jì)相符合，便于學(xué)生結(jié)合生活實(shí)際學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。

圖2 自動(dòng)門操作模塊畫面配置圖

要求學(xué)生分析控制要求，自動(dòng)門控制過程如下：當(dāng)小車前進(jìn)，入口傳感器檢測(cè)到小車時(shí)，車庫的卷簾門上升，卷簾門達(dá)到上限時(shí)燈亮起；當(dāng)車庫出口傳感器檢測(cè)到有車并且車庫入口長達(dá)60 s 時(shí)，蜂鳴器響起提醒卷簾門下降，門達(dá)到下限完成一次工作，等待進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)工作。

2.2 分配I/O 地址

傳感器將輸入信號(hào)傳到可編程控制器對(duì)應(yīng)的輸入端口地址，可編程控制器接收信號(hào)并依據(jù)用戶程序（梯形圖程序）執(zhí)行，并將執(zhí)行結(jié)果傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的輸出端口地址，輸出連接的電器元件執(zhí)行動(dòng)作。這部分教學(xué)內(nèi)容要求學(xué)生具有完整的知識(shí)體系，結(jié)合教材理論教學(xué)后，可幫助學(xué)生查缺補(bǔ)漏。要求學(xué)生分析控制要求，明確每個(gè)元件的功能，并將仿真畫面中的端口元件，分配I/O 地址并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

分析該自動(dòng)控制門系統(tǒng)有4 個(gè)輸入信號(hào)、4 個(gè)輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)的端口地址及功能如表1 所示。

表1 I/O 分配表

2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

可編程控制系統(tǒng)根據(jù)用戶程序執(zhí)行，要求學(xué)生規(guī)范編寫用戶程序，這部分是教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，此外，要引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用規(guī)范的編程思想。自動(dòng)控制門的工作流程是根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，按預(yù)先規(guī)定的順序自動(dòng)有序進(jìn)行工作，是典型的順序控制，可以引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移思想進(jìn)行編程。在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生，按照工作流程和要求，將一個(gè)工作周期劃分為若干階段，并明確每一階段的輸入變化條件及輸出的執(zhí)行動(dòng)作，完成該項(xiàng)目的順序功能圖。

編寫自動(dòng)門的順序功能如圖3 所示。三菱仿真軟件FX-TRN-BEG-C 只支持梯形圖寫入，因此需要把圖3 的順序功能圖轉(zhuǎn)化成梯形圖。

圖3 順序功能圖

2.4 系統(tǒng)程序調(diào)試

傳統(tǒng)的調(diào)試，需要設(shè)備接線連機(jī)，需要花費(fèi)過多的教學(xué)時(shí)間，通過FX-TRN-BEG-C 仿真系統(tǒng)可直接調(diào)試，并以3D 仿真動(dòng)畫的形式非常直觀地模擬現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試可能出現(xiàn)的問題。整個(gè)調(diào)試在軟件中完成，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試教學(xué)相比，降低了教學(xué)成本且相對(duì)安全；整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)緊湊完整，仿真的結(jié)果通過3D 仿真動(dòng)畫的形式直觀展示出來，大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生對(duì)課堂的專注度。教師在這部分教學(xué)當(dāng)中更多的是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，獨(dú)立完成項(xiàng)目調(diào)試，從而達(dá)到提升教學(xué)效果的目的。

模擬現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程，單擊界面左側(cè)的“PLC 寫入”按鈕，將轉(zhuǎn)化好的梯形圖上載到模擬可編程控制器當(dāng)中，并啟動(dòng)仿真。鼠標(biāo)長按3D 仿真畫面上的“車前進(jìn)”按鈕，藍(lán)色小車前進(jìn)，入口傳感器X2 檢測(cè)到小車時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)Y0 動(dòng)作卷簾門上升，傳感器X1 檢測(cè)到卷簾門達(dá)到上限，Y0 停止動(dòng)作，并且指示燈亮Y6 起；當(dāng)車庫出口傳感器檢測(cè)到有車并且車庫入口長達(dá)60 s時(shí)，蜂鳴器Y7 響起同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)Y1 動(dòng)作卷簾門下降，門達(dá)到下限完成一次工作，等待進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)工作。此外，在仿真過程中，也可以觀察輸入輸出指示燈，分析動(dòng)作情況。如果展示的動(dòng)畫流程不一致，則要求學(xué)生分析問題調(diào)試程序，直到學(xué)生完任務(wù)要求。

2.5 總結(jié)與擴(kuò)展

總結(jié)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程：分析控制要求，分配I/O表，程序設(shè)計(jì)，調(diào)試程序。其中程序設(shè)計(jì)采用的是順序控制設(shè)計(jì)法，在設(shè)計(jì)順序功能圖時(shí)，將整個(gè)工作過程分解成每一個(gè)階段，給每個(gè)階段分配一個(gè)輔助繼電器，明確每個(gè)輔助繼電器的動(dòng)作；然后確定每個(gè)輔助繼電器的轉(zhuǎn)移條件就完成了順序功能圖設(shè)計(jì)，將順序功能圖轉(zhuǎn)化為梯形圖即可。

總結(jié)后布置作業(yè)：如果要在控制要求中加入小車的進(jìn)出數(shù)量，需修改程序。要求學(xué)生編寫程序，并利用仿真軟件去驗(yàn)證，通過總結(jié)擴(kuò)展提高學(xué)生的編程能力[4]。

3 結(jié)束語

在受疫情影響下，很多實(shí)踐課程無法在線下正常進(jìn)行，F(xiàn)X-TRN-BEG-C 仿真教學(xué)系統(tǒng)已被初步應(yīng)用于2021—2022 學(xué)年發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)“電氣控制與PLC 技術(shù)”的實(shí)踐課程中。學(xué)生在使用仿真系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐課程時(shí)，表現(xiàn)出了很高的學(xué)習(xí)熱情；學(xué)生邊聽邊看邊跟著操作，互動(dòng)性強(qiáng)、體驗(yàn)感好；學(xué)生可以看到近乎真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，加深對(duì)知識(shí)的理解。因?yàn)榻虒W(xué)是在模擬仿真過程中進(jìn)行的，保證了教學(xué)的安全性。學(xué)生還可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行大膽探索式學(xué)習(xí)，過程中也享受到了探索創(chuàng)造的樂趣，取得了良好的教學(xué)效果，對(duì)提高“電氣控制與PLC 技術(shù)”課程的教學(xué)效果具有一定的積極意義。將FX-TRN-BEG-C仿真教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于線上教學(xué)，這也為后疫情時(shí)代“電氣控制與PLC 技術(shù)”的實(shí)驗(yàn)課程提供了新的探索模式。