多功能PLC實踐教學裝置研制

束長寶，蔣步軍，于 照，陳云云

（揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009）

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中明確提出，高等教育要加強實驗室、校內外實習基地等基本建設，強化實踐教學環節［1－2］。實踐教學是工科專業的重要教學環節，是高等教育中不可或缺的重要組成部分，是提高工程教育人才培養質量的重要途徑，對當代工科大學生的工程實踐能力培養起著舉足輕重的作用［3－4］。

PLC（可編程控制器）作為一種專用的工業控制計算機，以其可靠性高、抗干擾能力強、編程方便、功能擴展性好等優點，被應用廣泛。PLC課程是電氣類專業主干課程之一，PLC實踐應用能力的強弱對學生的就業及日后從事工業自動化方面的工作起著重要作用，而學生實踐能力的培養離不開相應教學儀器設備的硬件基礎，我校電氣控制及PLC課程或可編程控制技術等課程的實踐性環節主要有實驗、課程設計、課程實習和本科畢業設計環節。

1 研制原因

普通PLC實驗裝置常因功能簡單、系統無法擴展而不能勝任復雜的教學任務，如課程實習、畢業設計等不同教學任務的功能需求。我們原先購置的8套PLC實驗臺因功能相對簡單，主要滿足實驗及課程設計需要，復雜的控制要求則無法滿足。而分別購置實驗、實習裝置和畢業設計用裝置常常因經費限制、設備用途單一、價格較高、通用性不強、使用率低等缺點而制約綜合性和設計性實驗、課程設計、課程實習及畢業設計等實踐教學工作的有效開展。

另外，目前高校工科專業的課程實習面臨企業缺乏積極性，到企業的實習往往演變成參觀，學生不能參與生產過程，不能詳細了解生產工藝，易流于形式和走馬觀花等問題；而且因實習經費緊張，實習時間難以保證［5－6］。因此我們采取校外實習基地和校內實習場所相結合的形式，校外實習基地用于學生的認識實習以拓展專業或課程知識，校內實習場所則是依靠專業綜合實習室，供實踐環節教學使用。

鑒于市售的設備難以滿足PLC不同實踐教學環節、不同被控對象的不同控制要求，在實驗室建設經費有限的情況下，我們決定自制多功能PLC實踐教學裝置以滿足不同實踐教學環節的多種需要。

2 研制思想

項目從2010年6月開始立項到2011年12月一期項目結題，二期從2012年6月到2013年3月結束。由于我校與日本三菱電機自動化有限公司共建PLC實驗室，而且教學用教材主要講解三菱FX系列機型，故主要設備采用日本三菱電機自動化有限公司的產品，共20套多功能PLC實踐教學裝置。

PLC作為常用的工業控制設備，不僅可獨立運行，還常與計算機、變頻器、觸摸屏、步進電機、伺服電機以及傳感器、智能儀表等共同構成控制系統，PLC控制系統的常見結構形式如圖1所示［5］。為了增強學生的工程認知感和實踐能力，設計的PLC綜合實踐裝置可根據不同教學任務或要求，靈活增減觸摸屏、變頻器、模數轉換模塊、伺服驅動器及伺服電機、步進電機、通信適配器、傳感器、智能儀表、電量變送器、交直流電機、接觸器、繼電器、斷路器、熔斷器及接線端子等可選器件，進行有機組合，并與PLC及計算機（裝有編程、仿真、組態等軟件）一起構建成所需的控制系統，并接近工程實際［5］。設備元件安裝于多孔板上，為便于靈活組合和安裝接線，控制柜的4個門均可拆卸。

圖1 PLC控制系統的常見結構

多功能PLC實踐裝置既可承擔實驗教學任務，又能承擔課程設計、課程實習、畢業設計等實踐性教學環節的教學任務，具有可靠性高、功能多、通用性強、靈活性好、選擇性強、擴展方便、性價比高、一體化等優點［5］，為我院電氣工程及其自動化、測控技術與儀器、建筑電氣與智能化、能源與動力工程等專業相關課程提供實驗裝置，既打破了專業界限，又營造了近似的工程環境。在進行PLC課程實習及畢業設計時，可根據不同控制系統的不同控制要求，靈活選擇模塊、設備或元件，甚至多臺套配合使用，如兩套或多套設備組合實現PLC的1∶1或N∶N網絡通信、一臺PLC對多臺變頻器的MODBUS通信控制等內容，從而滿足PLC的不同實踐性教學環節包括及畢業設計的需要。

3 硬件電路設計及配置

3.1 多功能I／O板設計制作

為了便于滿足不同控制功能的調試需要，我們設計制作了多功能I／O板，該板主要由DI、DO、AO、譯碼顯示電路以及電源指示等電路組成，主要提供有關PLC輸入信號及PLC輸出顯示用，可滿足常規的DI、DO及AI輸入和輸出顯示等需要。

3.1.1 開關量輸入信號

考慮到控制對象有多種開關量信號形式，在設計時采用的開關量信號有10個復合按鈕提供各10個常開（NO）和10個常閉（NC）信號、6路紐子開關、2路行程開關、2路開關、1個4位DIP撥碼開關、1個4位BCD碼輸出的撥碼開關等，所有DI信號公用一個COM端。

3.1.2 模擬量輸入信號

AI信號采用國際上統一的DDZ－Ⅲ型的DDZ－S型自動化儀表信號4～20mA DC作為標準信號。由于FX2N－4AD（圖1中AD）模擬量模塊輸入電阻Ri為250Ω，設計時選用4.7kΩ多圈電位器、1kΩ精密電阻，加DC 24V電源，將多功能版輸出端子的I＋、I－分別與FX2N－4AD模塊的電流輸入正端I＋ （與V＋短接）、負端VI－相連接，調節相應的電位器RP可調節輸出電流的大小，電流調節范圍為4～20mA。為了監視電流的大小，可用電壓表測量1kΩ電阻R兩端的電壓Ur，其對應關系為：I＝Ur／R。4～20mA信號調理電路見圖2。4～20mA模擬量信號共4路。

3.1.3 PLC輸出

圖2 4～20mA信號電路

PLC輸出分兩種方式：一種直接通過端子接接觸器、繼電器等器件驅動負載，另一種用LED指示輸出。LED指示的工作電源采用5V，其輸出顯示采用兩種方式：一種是LED輸出顯示，當相應接線端子接有PLC輸出信號時，該路LED被點亮；另一種采用七段數碼管顯示。為了方便計數顯示方式的對比，我們設計了兩種數碼顯示方式：一種是占用4個PLC輸出點的BCD碼輸出形式，用74LS04反相器＋74LS48譯碼驅動器＋BS201A／BS207共陰數碼管及必要的上拉電阻、限流保護電阻構成DS1數碼顯示方式，原理電路見圖3。其中Y00－1—Y03－1為PLC的輸出端，無論是NPN型晶體管型還是繼電器型的PLC輸出端都可以通過10kΩ的上拉電阻接5V電源，并通過74LS04反相器反相后與PLC的輸出狀態邏輯相一致，再送至74LS48譯碼驅動器，驅動共陰數碼管顯示；另一種是占用7個PLC輸出點采用SEGD七段碼譯碼指令輸出的DS2數碼顯示方式，用74LS06＋BS201A及必要的上拉電阻、限流保護電阻構成DS2七段數碼顯示。同時為了節省輸入路數增加多用性，在Y00—Y06的輸出指示回路上設置了3個位置（LED、DS1、DS2）的跳線，在作為 LED顯示或4位BCD碼DS1顯示或作為SEG編碼的DS2顯示時，只要把跳線帽插在LED或DS1或DS2位置即可，也可以同時插上LED和DS1跳線，比較2進制和8421 BCD碼的關系，同時插上LED和DS2跳線可以比較2進制和七段碼的關系。

圖3 PLC的BCD碼譯碼輸出顯示原理電路

3.2 多功能PLC實踐教學裝置軟硬件配置

20套裝置分兩種：12套采用繼電器輸出型FX3U－48MR，8套采用晶體管輸出型 FX2N－48MT，便于驅動不同類型的負載。圖4為自制多功能PLC實踐教學裝置之一，這套裝置中包含的主要設備元件有三菱FX3U－48MR主機、三菱GOT1000系列145 mm（5.7英寸）觸摸屏、三菱 E740變頻器、三菱FX2N－4AD模數轉換模塊、FX2N－2DA數模轉換模塊、多功能I／O信號板、三相異步電動機3臺、開關電源、接觸器、OMRON DC24V繼電器及菲尼克斯接線端子等。另有8套主要硬件配置相同，除主機改為三菱晶體管輸出型FX2N－48MT PLC外，還配有步進電機、步進驅動器、伺服驅動器及伺服電機等，以方便進行步進控制或伺服控制用。

上位計算機采用聯想啟天系列商用機，除安裝常規的辦公軟件外，主要安裝了三菱PLC編程軟件GXDeveloper V8、仿真軟件Simulator V6、HMI畫面設計組態軟件GT－Designer3；同時為了便于構建計算機監控系統，上位機的組態監控選用國產商業組態軟件Kingview。鑒于USB口通信適配器的廣泛使用，計算機上安裝了USB口轉RS－422編程口的通信適配器的驅動軟件，以方便程序讀寫、在線監控等編程調試等工作。此外還安裝了實踐裝置上主要設備元件的CAJ／PDF文檔資料，方便學生學習或拷貝。

在進行實驗、實習及畢業設計時，學生可根據實踐教學任務的不同控制要求選擇相應器件設備，在掌握設備的基本功能、端子接法的基礎上，先設計出I／O接線圖，后進行安裝接線，這樣既將PLC的I／O回路搞清楚了，又避免了傳統實驗實習裝置及內嵌設備內部I／O接線回路的模糊不清，亦可培養學生的工程設計、安裝及理論聯系實際等能力，可謂一舉多得。

4 系統調試

圖4 多功能PLC實踐教學裝置之一

為了測試上述多功能PLC實踐裝置的主要功能，除利用多功能板進行PLC I／O接線以提供PLC輸入信號和PLC輸出指示外，還進行了功能測試，測試證明設計符合功能要求，圖4即為當時功能測試時的照片之一。圖5給出了系統主要功能測試程序［7－8］，觸摸屏組態及變頻器參數設置此處省略。

5 結束語

20套多功能PLC實踐教學裝置，作為自制儀器設備，經過兩期建設，共用經費28多萬元（含計算機），并經校設備處和學院共同邀請的專家組驗收，獲得了優秀評價。該裝置具有多功能、性價比高、靈活性好、通用性強、可靠性高等優點，既節省了較多的實驗室建設經費，又可以根據不同的實驗、實習、畢業設計等的教學需求，靈活選擇元件設備，構建相應的控制系統。該裝置經過了多班級多人次的課程實驗、課程設計、課程實習及畢業設計等環節使用，使用表明取得了很好的教學效果。

圖5 系統主要功能測試程序

在此基礎上，我校與三菱電機自動化公司共建的PLC實驗室添置的分別用于過程控制、網絡控制、運動控制的Q系列PLC已經到位，擬將PLC與工業控制中的網絡技術、通信技術以及控制等技術融合在一起，建設新的平臺，可實現運動控制、過程控制、網絡通信等，涉及到現場總線、工業以太網、DCS過程控制、位控、檢測、先進自動化加工、監控等［9］，將會在實踐教學及自動化人才培養方面奠定更好的物質基礎。

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［5］束長寶，吳桂峰，將步軍，等.測控專業PLC實踐教學一體化初探［J］.實驗技術與管理，2012，29（12）：173－182.

［6］艾寧，阮慧敏，劉會君，等.創新生產實習教學模式 強化工程實踐能力［J］.實驗室研究與探索，2012，31（11）：150－153.

［7］FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC系列編程手冊［M］.三菱電機公司.

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