多功能PLC实践教学装置研制

束长宝，蒋步军，于 照，陈云云

（扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009）

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中明确提出，高等教育要加强实验室、校内外实习基地等基本建设，强化实践教学环节［1－2］。实践教学是工科专业的重要教学环节，是高等教育中不可或缺的重要组成部分，是提高工程教育人才培养质量的重要途径，对当代工科大学生的工程实践能力培养起着举足轻重的作用［3－4］。

PLC（可编程控制器）作为一种专用的工业控制计算机，以其可靠性高、抗干扰能力强、编程方便、功能扩展性好等优点，被应用广泛。PLC课程是电气类专业主干课程之一，PLC实践应用能力的强弱对学生的就业及日后从事工业自动化方面的工作起着重要作用，而学生实践能力的培养离不开相应教学仪器设备的硬件基础，我校电气控制及PLC课程或可编程控制技术等课程的实践性环节主要有实验、课程设计、课程实习和本科毕业设计环节。

1 研制原因

普通PLC实验装置常因功能简单、系统无法扩展而不能胜任复杂的教学任务，如课程实习、毕业设计等不同教学任务的功能需求。我们原先购置的8套PLC实验台因功能相对简单，主要满足实验及课程设计需要，复杂的控制要求则无法满足。而分别购置实验、实习装置和毕业设计用装置常常因经费限制、设备用途单一、价格较高、通用性不强、使用率低等缺点而制约综合性和设计性实验、课程设计、课程实习及毕业设计等实践教学工作的有效开展。

另外，目前高校工科专业的课程实习面临企业缺乏积极性，到企业的实习往往演变成参观，学生不能参与生产过程，不能详细了解生产工艺，易流于形式和走马观花等问题；而且因实习经费紧张，实习时间难以保证［5－6］。因此我们采取校外实习基地和校内实习场所相结合的形式，校外实习基地用于学生的认识实习以拓展专业或课程知识，校内实习场所则是依靠专业综合实习室，供实践环节教学使用。

鉴于市售的设备难以满足PLC不同实践教学环节、不同被控对象的不同控制要求，在实验室建设经费有限的情况下，我们决定自制多功能PLC实践教学装置以满足不同实践教学环节的多种需要。

2 研制思想

项目从2010年6月开始立项到2011年12月一期项目结题，二期从2012年6月到2013年3月结束。由于我校与日本三菱电机自动化有限公司共建PLC实验室，而且教学用教材主要讲解三菱FX系列机型，故主要设备采用日本三菱电机自动化有限公司的产品，共20套多功能PLC实践教学装置。

PLC作为常用的工业控制设备，不仅可独立运行，还常与计算机、变频器、触摸屏、步进电机、伺服电机以及传感器、智能仪表等共同构成控制系统，PLC控制系统的常见结构形式如图1所示［5］。为了增强学生的工程认知感和实践能力，设计的PLC综合实践装置可根据不同教学任务或要求，灵活增减触摸屏、变频器、模数转换模块、伺服驱动器及伺服电机、步进电机、通信适配器、传感器、智能仪表、电量变送器、交直流电机、接触器、继电器、断路器、熔断器及接线端子等可选器件，进行有机组合，并与PLC及计算机（装有编程、仿真、组态等软件）一起构建成所需的控制系统，并接近工程实际［5］。设备元件安装于多孔板上，为便于灵活组合和安装接线，控制柜的4个门均可拆卸。

图1 PLC控制系统的常见结构

多功能PLC实践装置既可承担实验教学任务，又能承担课程设计、课程实习、毕业设计等实践性教学环节的教学任务，具有可靠性高、功能多、通用性强、灵活性好、选择性强、扩展方便、性价比高、一体化等优点［5］，为我院电气工程及其自动化、测控技术与仪器、建筑电气与智能化、能源与动力工程等专业相关课程提供实验装置，既打破了专业界限，又营造了近似的工程环境。在进行PLC课程实习及毕业设计时，可根据不同控制系统的不同控制要求，灵活选择模块、设备或元件，甚至多台套配合使用，如两套或多套设备组合实现PLC的1∶1或N∶N网络通信、一台PLC对多台变频器的MODBUS通信控制等内容，从而满足PLC的不同实践性教学环节包括及毕业设计的需要。

3 硬件电路设计及配置

3.1 多功能I／O板设计制作

为了便于满足不同控制功能的调试需要，我们设计制作了多功能I／O板，该板主要由DI、DO、AO、译码显示电路以及电源指示等电路组成，主要提供有关PLC输入信号及PLC输出显示用，可满足常规的DI、DO及AI输入和输出显示等需要。

3.1.1 开关量输入信号

考虑到控制对象有多种开关量信号形式，在设计时采用的开关量信号有10个复合按钮提供各10个常开（NO）和10个常闭（NC）信号、6路纽子开关、2路行程开关、2路开关、1个4位DIP拨码开关、1个4位BCD码输出的拨码开关等，所有DI信号公用一个COM端。

3.1.2 模拟量输入信号

AI信号采用国际上统一的DDZ－Ⅲ型的DDZ－S型自动化仪表信号4～20mA DC作为标准信号。由于FX2N－4AD（图1中AD）模拟量模块输入电阻Ri为250Ω，设计时选用4.7kΩ多圈电位器、1kΩ精密电阻，加DC 24V电源，将多功能版输出端子的I＋、I－分别与FX2N－4AD模块的电流输入正端I＋ （与V＋短接）、负端VI－相连接，调节相应的电位器RP可调节输出电流的大小，电流调节范围为4～20mA。为了监视电流的大小，可用电压表测量1kΩ电阻R两端的电压Ur，其对应关系为：I＝Ur／R。4～20mA信号调理电路见图2。4～20mA模拟量信号共4路。

3.1.3 PLC输出

图2 4～20mA信号电路

PLC输出分两种方式：一种直接通过端子接接触器、继电器等器件驱动负载，另一种用LED指示输出。LED指示的工作电源采用5V，其输出显示采用两种方式：一种是LED输出显示，当相应接线端子接有PLC输出信号时，该路LED被点亮；另一种采用七段数码管显示。为了方便计数显示方式的对比，我们设计了两种数码显示方式：一种是占用4个PLC输出点的BCD码输出形式，用74LS04反相器＋74LS48译码驱动器＋BS201A／BS207共阴数码管及必要的上拉电阻、限流保护电阻构成DS1数码显示方式，原理电路见图3。其中Y00－1—Y03－1为PLC的输出端，无论是NPN型晶体管型还是继电器型的PLC输出端都可以通过10kΩ的上拉电阻接5V电源，并通过74LS04反相器反相后与PLC的输出状态逻辑相一致，再送至74LS48译码驱动器，驱动共阴数码管显示；另一种是占用7个PLC输出点采用SEGD七段码译码指令输出的DS2数码显示方式，用74LS06＋BS201A及必要的上拉电阻、限流保护电阻构成DS2七段数码显示。同时为了节省输入路数增加多用性，在Y00—Y06的输出指示回路上设置了3个位置（LED、DS1、DS2）的跳线，在作为 LED显示或4位BCD码DS1显示或作为SEG编码的DS2显示时，只要把跳线帽插在LED或DS1或DS2位置即可，也可以同时插上LED和DS1跳线，比较2进制和8421 BCD码的关系，同时插上LED和DS2跳线可以比较2进制和七段码的关系。

图3 PLC的BCD码译码输出显示原理电路

3.2 多功能PLC实践教学装置软硬件配置

20套装置分两种：12套采用继电器输出型FX3U－48MR，8套采用晶体管输出型 FX2N－48MT，便于驱动不同类型的负载。图4为自制多功能PLC实践教学装置之一，这套装置中包含的主要设备元件有三菱FX3U－48MR主机、三菱GOT1000系列145 mm（5.7英寸）触摸屏、三菱 E740变频器、三菱FX2N－4AD模数转换模块、FX2N－2DA数模转换模块、多功能I／O信号板、三相异步电动机3台、开关电源、接触器、OMRON DC24V继电器及菲尼克斯接线端子等。另有8套主要硬件配置相同，除主机改为三菱晶体管输出型FX2N－48MT PLC外，还配有步进电机、步进驱动器、伺服驱动器及伺服电机等，以方便进行步进控制或伺服控制用。

上位计算机采用联想启天系列商用机，除安装常规的办公软件外，主要安装了三菱PLC编程软件GXDeveloper V8、仿真软件Simulator V6、HMI画面设计组态软件GT－Designer3；同时为了便于构建计算机监控系统，上位机的组态监控选用国产商业组态软件Kingview。鉴于USB口通信适配器的广泛使用，计算机上安装了USB口转RS－422编程口的通信适配器的驱动软件，以方便程序读写、在线监控等编程调试等工作。此外还安装了实践装置上主要设备元件的CAJ／PDF文档资料，方便学生学习或拷贝。

在进行实验、实习及毕业设计时，学生可根据实践教学任务的不同控制要求选择相应器件设备，在掌握设备的基本功能、端子接法的基础上，先设计出I／O接线图，后进行安装接线，这样既将PLC的I／O回路搞清楚了，又避免了传统实验实习装置及内嵌设备内部I／O接线回路的模糊不清，亦可培养学生的工程设计、安装及理论联系实际等能力，可谓一举多得。

4 系统调试

图4 多功能PLC实践教学装置之一

为了测试上述多功能PLC实践装置的主要功能，除利用多功能板进行PLC I／O接线以提供PLC输入信号和PLC输出指示外，还进行了功能测试，测试证明设计符合功能要求，图4即为当时功能测试时的照片之一。图5给出了系统主要功能测试程序［7－8］，触摸屏组态及变频器参数设置此处省略。

5 结束语

20套多功能PLC实践教学装置，作为自制仪器设备，经过两期建设，共用经费28多万元（含计算机），并经校设备处和学院共同邀请的专家组验收，获得了优秀评价。该装置具有多功能、性价比高、灵活性好、通用性强、可靠性高等优点，既节省了较多的实验室建设经费，又可以根据不同的实验、实习、毕业设计等的教学需求，灵活选择元件设备，构建相应的控制系统。该装置经过了多班级多人次的课程实验、课程设计、课程实习及毕业设计等环节使用，使用表明取得了很好的教学效果。

图5 系统主要功能测试程序

在此基础上，我校与三菱电机自动化公司共建的PLC实验室添置的分别用于过程控制、网络控制、运动控制的Q系列PLC已经到位，拟将PLC与工业控制中的网络技术、通信技术以及控制等技术融合在一起，建设新的平台，可实现运动控制、过程控制、网络通信等，涉及到现场总线、工业以太网、DCS过程控制、位控、检测、先进自动化加工、监控等［9］，将会在实践教学及自动化人才培养方面奠定更好的物质基础。

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［1］吴国华.围绕应用型人才培养，加快新建本科院校改革和发展［J］.中国高等教育，2010（22）：11－14.

［2］孟庆繁.在学习中创新在创新中发展：浅谈《实验室研究与探索》在实验室工作创新中的作用［J］.实验室研究与探索，2012，31（11）：12－14.

［3］陆顺寿，曹其新.新颖的创新实践场所：“实学创新工坊”建设［J］.实验室研究与探索，2012，31（2）：98－100.

［4］黄绍平，李靖.创新实践教学模式，培养高质量工程人才［J］.实验技术与管理，2012，29（1）：18－20.

［5］束长宝，吴桂峰，将步军，等.测控专业PLC实践教学一体化初探［J］.实验技术与管理，2012，29（12）：173－182.

［6］艾宁，阮慧敏，刘会君，等.创新生产实习教学模式 强化工程实践能力［J］.实验室研究与探索，2012，31（11）：150－153.

［7］FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC系列编程手册［M］.三菱电机公司.

［8］巫莉.电气控制及PLC应用［M］.2版.北京：中国电力出版社，2010.

［9］郭西进，任良才，耿乙文，等.PLC综合实训平台的设计与实现［J］.实验室研究与探索，2011，30（6）：162－165.