基于三菱FX2N系列PLC的开放式教学研究与实践

张红梅　潘岱　刘艳丽

摘 要 针对机电一体化专业、机械工程及其自动化、电气工程及其自动化专业的专业提点，整合现有的实验室设备和资源，提出了基于三菱FX2N系列PLC的开放式综合教学方法，重点阐述了开放式教学方法的构建和实施过程。采用开放式教学模式进行实验、实训或毕业设计，可以使学生更好地掌握PLC的理论知识，并综合运用其他的专业知识，激发了学生的兴趣，使整体教学质量和教学效果得到了极大的提高。

关键词 PLC 开放式教学 教学模式

0 引言

可编程控制器（简称PLC）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、电气控制技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。已成为工业控制领域内占主导地位的基础自动化设备。PLC的功能强大、可靠性高、实用方便，已广泛应用于钢铁、冶金、机械加工、汽车制造、石油轻工、轻工食品、能源交通、污水处理等几乎所有的工业领域。目前PLC仍处于不断的发展之中，其功能不断增强，通讯能力增强，在大型自动化网络控制系统中占有不可动摇的地位。

本文介绍的基于三菱FX2N系列的PLC实验系统，硬件采用模块化结构，综合性和应用性较强。整个实验系统以开放性和设计性为主，改变了原有的单一实验、单一设备或单一课程、单一实验装置的模式，可以满足电气控制技术、PLC原理及应用、PLC课程设计及毕业设计等多门课程教学、实验和综合实训的需要。

1 开放式教学的目的和特征

PLC课程是机电一体化专业、机械工程及其自动化、电气工程及其自动化专业中一门重要的专业必修课，该课程的应用涵盖了多门学科知识，包括：电机、电气控制技术、继电控制，PLC原理等，具有很强的理论性、实践性和综合应用性。传统的PLC实验多是在实训台、实验箱或仿真软件上完成，这些实验设备上用按钮、行程或限位开关等来模拟传感器的输出信号，用发光二极管模拟工业现场的电机，报警灯，蜂鸣器，以及工业现场的执行机构等的输出动作。这种传统实验模式直观性较差，学生只能通过LED等的点亮情况来判断程序运行的正确性，而不能接电机等实际的执行机构。这种实验属于验证性实验，直观性差，不够开放。

开放式教学模式是在给定实验目的和实验设备的条件下，学生在给定的时间内，自己设计实验方案，并完成整个实验的硬件和软件设计和调试过程。在这个实验过程中，学生以小组为单位，通过自主学习，制定实验方案，完成硬件原理图的设计和组装，进行软件的编程，最终完成软、硬件的调试。整个过程中，以学生为中心，以培养学生的综合能力为目标；以教师为辅，教师是学生学习过程中的引导者和监督者。

2 教学模式的构建与实施

PLC作为整个电气控制系统的控制核心，不能独立存在，必须和控制设备一起组成一个控制系统。在进行PLC开放式教学课程之前，学生必须先修以下课程的知识：电机、电气控制技术、继电控制、PLC原理；并且能够把握每门课程之间的联系和衔接关系。针对传统的PLC教学模式的不足，我们在电气和机电一体化专业进行了基于PLC的开放式教学模式的探索。

2.1 实验室硬件设备

实验室硬件设备配置是工科实验室建设最基本的环节之一。实验室购买了三菱FX2N系列PLC主机模块和模拟量、数字量输入输出模块，三菱A950GOT系列触摸屏，三菱变频器，联想台式电脑（配备三菱编程软件、仿真软件）等设备，同时，配备了四层电梯模型装置、龙门吊装置、红绿灯等实验配套装置。此外实验中心还有电气控制实验室和电机实验室；购买了中间继电器、热继电器、熔断器、接触器、按钮开关、指示灯、彩灯等电器散件。这些实验室硬件设备，为建设开放式PLC实验室打下了良好基础。

2.2 教学环节设计

对于一个完整的自动控制系统，PLC只是其中的控制核心，还必须包含控制对象。在整个开放式教学过程中，我们不仅要进行控制系统的设计，还必须要设计控制对象。根据实验室的实验设备情况，教师制定多个控制系统的设计，学生根据组员自身情况选择一个来进行设计。控制系统具体包括：（1）电动机的顺序启停控制（带触摸屏）；（2）三相交流异步电动机的调速控制；（3）四层电梯控制；（4）十字路口交通灯控制；（5）造型彩灯控制；（6）挖掘机模型控制。

2.3 开放式教学实践

开放式教学模式是基于一个实际项目的教学，以学生的自主学习为主导，教师给出项目题目，并在教学实施过程中进行引导和辅导。学生根据自己的能力和爱好选择项目题目，组成5～6人的团队，一起完成项目的系统设计，原理设计，程序设计，联机调试及总结报告的编写。

以十字路口交通灯控制系统为例。控制要求如下：（1）设计双向红绿灯控制系统，要求每向车道能够实现直行和左转控制，四个路口红绿灯控制；（2）通过按钮和触摸屏实现红绿灯系统的两地启动和停止控制；（3）设有红绿灯运行模式切换开关，并能够实时监控双向车道的红绿灯和人行横道的红绿灯的运行情况。

开放式教学实施过程分为6个阶段：

（1）系统方案设计阶段：该阶段依据系统的控制要求，确定总体设计方案，包括硬件的选型和软件流程的设计，初步确定输入/输出（I/O）分配。

本系统需要设计交通灯控制系统模型，采用AD16-22D/S 220V指示灯（红、黄、绿）来模拟十字路口指示灯。

主要设备和器件有：三菱FX2N系列PLC主机（I/O点数为48点）和模拟量/数字量扩展模块（I/O点数为24点），三菱A950GOT系列触摸屏，2P漏电保护空开，熔断器，AD16-22D/S 220V按钮指示灯。

（2）模型及电气原理设计阶段：使用AutoCAD绘图软件对十字路口模型进行设计，并完成电气原理图、电气元件布置图、电气安装接线图的绘制。完成后提交电子档给指导老师，并展开小组讨论方案的可行性，确定最终设计方案，并对实验室不具备的元器件提交采购单。

（3）模型和控制电路的组装：要求学生严格按照电气元件安装的国家或企业标准，进行模型的组装和电路的安装、接线和调试。完成后，学生可先自查，再由老师确认无误后，方可进行上电调试。

（4）程序设计阶段：根据控制要求完成触摸屏程序和PLC控制程序的设计。

触摸屏程序在软件GT Designer3中完成，并GT Simulator2中进行仿真。PLC控制程序的设计包括系统的顺序功能图的设计及PLC程序的设计。

在该阶段，教师可以对触摸屏程序的设计和PLC顺序控制系统编程设计进行入门讲解，学生可通过查找资料及自学的方式完成程序的设计。

（5）联机调试阶段：在全部硬件组装完成和程序设计完成后，就进入到程序设计阶段。将程序下载到触摸屏和PLC中后，上电测试，并详细记录上电后控制系统的运行情况，有问题小组分析讨论，并对程序进行修改，直至功能完全实现。

（6）总结并提交报告阶段：控制系统调试成功后，每个团队成员根据所完成的任务提交一份完整的设计报告和控制系统操作说明书。教师根据小组的完成情况，组织学生进行答辩，并根据小组完成情况，进行综合评价。

3 结束语

基于PLC的开放式教学是一种近工业应用的教学方式。在这种教学模式下，学生能够综合自己所学的专业知识，应用到项目的设计和实现中；在项目的实施过程中，遇到难题可以查找资料再学习。教师不再以讲授课程为主，而是已学生自主学习为主，教师指导为辅。

学生能够将所学的专业知识，应用到项目的实施过程中，增强了学生的自主学习的能力，提高了学习的积极性，取得了较好的教学成果。在完成整个控制系统的设计的过程中，大部分学生直接体会到了专业理论知识在工程实践中的运用，使学生对实际的工程控制系统有一个完整的了解和把握，对将来从事的工作和行业有一个准确的定位。

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