關(guān)鍵詞：PLC；教學(xué)；實(shí)驗(yàn)；設(shè)備選型；
Selection of PLC′s Teaching Experimental Equipments
LIU Bing，YANG Yong，WANG Fuyuan
（Zhengzhou University，Zhengzhou，450052，China）
The selection and design ideas of PLC are different to different equipment manufacturer．This paper mainly discusses the problems that should be considered in selecting equipments and the building your experiment plan．
Keywords：PLC；teaching；experimental；equipments selection
1 引 言
可編程控制器（PLC）是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，是以微處理器為核心，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的3大支柱之首［1］。
如今，隨著美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家的很多大公司相繼投入對(duì)PLC的開發(fā)、應(yīng)用和推廣，PLC得到了迅速發(fā)展，其產(chǎn)品的種類和數(shù)量越來越多，功能也越來越強(qiáng)。PLC功能的增強(qiáng)，也使得PLC應(yīng)用更加廣泛，許多大中型企業(yè)不斷采用PLC來完成各種工業(yè)控制，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
PLC的廣泛應(yīng)用要求培養(yǎng)出更多的熟悉其應(yīng)用的高技術(shù)人才，而實(shí)驗(yàn)是此課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。近年來，一方面國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)技術(shù)改造和技術(shù)更新提出了更高的要求，工業(yè)生產(chǎn)的信息化和數(shù)字化成為必然趨勢(shì)，所以很多院校新設(shè)了自動(dòng)化類的專業(yè)。另一方面，隨著國(guó)家對(duì)教育投入力度的增大，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已經(jīng)成為高校建設(shè)的重要任務(wù)。
由于PLC本身的種類很多，基于不同PLC的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也比較多，而設(shè)備生產(chǎn)廠家的選型和設(shè)計(jì)思想各不相同，所以對(duì)于不同情況的院校，在設(shè)備選型方面必須有不同的考慮。目前有眾多廠家生產(chǎn)的設(shè)備可供選擇，本文以清華同方的TVT-90A，TVT-90C1，TVT-90C6，TVT-90E3；杭州天煌電氣設(shè)備廠的THPLC-A型，THPLC-B型，許昌瑞新電氣公司的RXPLC等型號(hào)為例討論P(yáng)LC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一些問題，提出了應(yīng)該注意的問題，應(yīng)該根據(jù)本校的培養(yǎng)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)開設(shè)情況合理選擇設(shè)備，防止盲目性的“一次到位”或僅考慮價(jià)格等不當(dāng)?shù)淖龇ā?BR>
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的考慮
PLC品種繁多，功能不同，而且價(jià)格也比較昂貴，我們?cè)诮M建實(shí)驗(yàn)室時(shí)首先要考慮做實(shí)驗(yàn)的對(duì)象以及對(duì)課程的要求程度，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
2．1 PLC主機(jī)的選型
2．1．1 模擬I／O點(diǎn)和模擬實(shí)驗(yàn)
采用兼有數(shù)字和模擬量點(diǎn)的PLC裝置通常用作比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，像過程控制、各種控制算法的驗(yàn)證等。如同方的TVT-2000B2過程控制教學(xué)裝置和TVT-90C1PLC訓(xùn)練裝置。此類設(shè)備多選用功能較強(qiáng)的PLC主機(jī)（如松下公司的FP1系列）設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。所以價(jià)格比較高，一般都在萬元以上。TVT-90C1PLC訓(xùn)練裝置（臺(tái)式結(jié)構(gòu)）含模擬量模塊4個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器，TVT-90C6 PLC訓(xùn)練裝置（臺(tái)式結(jié)構(gòu)）含模擬量模塊2個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器。
特別要注意的是有些稱為“可編程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置”的設(shè)備并不含有模擬量實(shí)驗(yàn)的功能，所謂“模擬”僅僅是指真實(shí)對(duì)象的模仿（如用發(fā)光二極管表示電機(jī)的起停）。但是同方生產(chǎn)的機(jī)械手模型、電梯模型、立體倉庫模型等則是真實(shí)系統(tǒng)的縮微模型。
目前絕大部分稱為“PLC實(shí)驗(yàn)”裝置或箱子的設(shè)備都只有數(shù)字I／O點(diǎn)，而且實(shí)驗(yàn)方式多為模擬的。一般是用發(fā)光管或數(shù)碼管表示輸出輸入的狀態(tài)。比較“逼真”的則采用平面顯示器（箭頭、發(fā)光帶等）。如電梯控制實(shí)驗(yàn)，通常是以圖形表示樓層，用發(fā)光管或平面顯示器表示轎箱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置。
2．1．2 PLC主機(jī)型號(hào)
目前進(jìn)入我國(guó)的PLC種類比較多，如歐姆龍、三菱、西門子等，每一個(gè)廠家的產(chǎn)品中又有眾多系列產(chǎn)品。所以為設(shè)備的選型帶來麻煩。實(shí)驗(yàn)裝置采用何種型號(hào)的PLC最主要的因素要取決于教材內(nèi)容，另外要考慮價(jià)格因素。
如果要求投資較少，讓學(xué)生對(duì)PLC有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)和了解，可以選擇主機(jī)為整體型PLC（如天煌THPLC型采用三菱FX系列的FX0s-20MR主機(jī)、瑞新RXPLC的主機(jī)采用FX1N-24主機(jī)、同方的TVT-90A型采用松下FP1-C24主機(jī)等）的設(shè)備。整體型PLC結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、價(jià)格便宜。但是整體型PLC有使用不夠靈活、I／O點(diǎn)數(shù)固定、不易維修等缺點(diǎn)。如果要求實(shí)驗(yàn)方便、靈活，并滿足不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)，可以選擇模塊式PLC設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但其造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
2．1．3 I／O點(diǎn)數(shù)和RAM的容量
I／O口數(shù)量是確定實(shí)驗(yàn)規(guī)模的的主要因素，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用到的I／O數(shù)量來估算。一般實(shí)驗(yàn)設(shè)備是基于I／O點(diǎn)數(shù)在120點(diǎn)以下的小型PLC（如三菱的F1，F(xiàn)2和FX0等，歐姆龍SP20系列，西門子的S5-95,S5-200，松下的FP1系列等）設(shè)計(jì)的。同方的TVT-90型主機(jī)為松下FP1-C24，輸入點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)、輸出點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)；TVT-90C型輸入輸出點(diǎn)數(shù)為30-40點(diǎn)；瑞新RXPLC的主機(jī)為三菱公司的FX1N-24MR，輸入點(diǎn)數(shù)為14點(diǎn)、輸出點(diǎn)數(shù)為10點(diǎn)，繼電器輸出。天煌THPLC型主機(jī)采用三菱的FXOS-20MR可編程序控 制器的實(shí)驗(yàn)設(shè)備I／O點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)，繼電器輸出。
I／O部分的價(jià)格約占PLC價(jià)格的一半以上，其成本較高，所以應(yīng)在選型時(shí)給予足夠的重視。如果在設(shè)備選購后發(fā)生I／O口數(shù)量不夠，也可以采用擴(kuò)展的I／O口。所以在設(shè)備選購時(shí)，了解所選設(shè)備的PLC是否有I／O擴(kuò)充能力也是很必要的，為以后可能的I／O口擴(kuò)展提供便利。如瑞新的RXPLC設(shè)備具有擴(kuò)展I／O口功能，24點(diǎn)的PLC可擴(kuò)展至128點(diǎn)I／O。
PLC主機(jī)輸出口類型按照負(fù)載使用的電源不同分為直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流輸出模塊，按照輸出開關(guān)器件的種類不同可分為繼電器、晶體管、可控硅3種。晶體管輸出方式的結(jié)構(gòu)是由CPU發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)反相器和光電耦合器使晶體管導(dǎo)通，由晶體管控制I／O的通斷，從而使相應(yīng)的負(fù)載接通，只適用于直流負(fù)載。可控硅輸出方式則利用可控硅作開關(guān)器件，只適合于交流負(fù)載。繼電器輸出方式是利用繼電器的接點(diǎn)來控制輸出回路的通斷，可帶直流負(fù)載或交流負(fù)載。
PLC的RAM存儲(chǔ)容量是一定的，必要時(shí)要考慮E2PROM的選配。選擇存儲(chǔ)器容量時(shí)，一般可按實(shí)際需要的25％考慮余量。當(dāng)要求存儲(chǔ)容量大而RAM空間不夠時(shí)，可以選擇帶E2PROM的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。瑞新實(shí)驗(yàn)設(shè)備（主機(jī)為三菱FX1N-24MR）程序容量為8000步，浙江天煌實(shí)驗(yàn)設(shè)備（主機(jī)型號(hào)為三菱FX0S 20MR）程序容量為800步，清華同方實(shí)驗(yàn)設(shè)備（主機(jī)型號(hào)為松下FP1-C24）程序容量為2700多步。但采用E2PROM時(shí)，由于全部E2PROM的程序作為一個(gè)整體運(yùn)行，所以E2PROM中的程序并不能分成多個(gè)實(shí)驗(yàn)各自占用一塊隨意選擇其中一個(gè)使用，而是一次只能運(yùn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)程序。
2．2 PLC實(shí)驗(yàn)裝置（箱）的選型
2．2．1 編程輸入方式
通常有手持編程器和PC機(jī)編程2種方式。PC編程的特點(diǎn)是輸入界面友好、閱讀和修改程序比較方便。現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)為方便起見常常采用手持編程器編程方式。如果實(shí)驗(yàn)內(nèi)容想要覆蓋此種方式，或者實(shí)驗(yàn)室的布局不考慮PC機(jī)的配置，則必須配手持編程器。杭州天煌公司和許昌瑞新公司實(shí)驗(yàn)設(shè)備有日本三菱FX-20P-E型手持編程器為可選件。
2．2．2 安全性
在設(shè)備選型時(shí)，安全性也必須作為重要問題加以考慮。PLC的工作電壓一般為220 V或380 V，輸入輸出模塊電壓有些是PLC提供的、有些是用戶提供的，由于PLC種類不同，這些電壓也有所不同。在選型時(shí)必須搞清I／O端子電壓是否安全、端子是否容易被學(xué)生觸及等問題。實(shí)際上如上所述，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備絕大部分是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)模擬的方式進(jìn)行的，所以有些設(shè)備廠家為了安全，將所有輸出、輸入端子（除了PLC自用的市電電壓）改用設(shè)備廠專門附加的低壓電源（24 V以下），這樣即使帶電操作也不會(huì)有問題。
設(shè)備的選購一定要選擇安全性考慮比較好、提供可靠的人身安全保護(hù)體系的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一般公司像清華同方、浙江天煌、許昌瑞新都考慮較好。其中有些產(chǎn)品考慮得更周到一些，如采用隔離變壓器；實(shí)驗(yàn)部分加過流斷電保護(hù)等措施。
2．2．3 負(fù)載能力
通常的實(shí)驗(yàn)用發(fā)光二極管作為輸入輸出指示，負(fù)載較輕。但對(duì)比較實(shí)際的控制實(shí)驗(yàn)（如實(shí)際的行程開關(guān)、限位開關(guān)輸入，過程控制和控制實(shí)際的電動(dòng)機(jī)等）時(shí)，對(duì)PLC輸入輸出端子的帶負(fù)載能力就要提出要求，同方TVT-90A箱式PLC學(xué)習(xí)機(jī)、TVT-90C臺(tái)式PLC學(xué)習(xí)機(jī)輸出繼電器允許電流（純電阻負(fù)載）2 A（250 V，AC）；瑞新的PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備輸出繼電器允許電流（純電阻負(fù)載）為2 A（250 V，AC）。
2．2．4 可測(cè)試性
一般的PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備在主機(jī)面板上可以看見輸入輸出狀態(tài)，但有些則因顯示器件過小或設(shè)計(jì)不合理而不顯著。設(shè)備選型應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)的可觀性和可測(cè)試性。有些實(shí)驗(yàn)裝置面板布置比較合理，裝有邏輯筆或小電 壓表可供實(shí)驗(yàn)者隨時(shí)測(cè)試輸入輸出的邏輯狀態(tài)，對(duì)各電路的導(dǎo)通、截止一目了然。瑞新PLC實(shí)驗(yàn)裝置面板布置了小測(cè)試儀，使用比較方便。
在對(duì)PLC編程時(shí)，如果采用PC編程，必須了解編 程軟件界面。當(dāng)今，PLC種類很多，其編程軟件也很多，編程軟件有基于DOS操作系統(tǒng)的，也有基于bbbbbbs操作系統(tǒng)的，通常基于bbbbbbs操作系統(tǒng)的軟件界面較友好，給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來很大方便。瑞新PLC采用基于bbbbbbs操作系統(tǒng)的編程軟件Fxgp。有些編程軟件是漢化的，會(huì)有某些學(xué)校有使用漢化軟件的要求。
2．2．5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是設(shè)備選型的重要依據(jù)。一般設(shè)備廠家會(huì)提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，這樣會(huì)減少實(shí)驗(yàn)教師的工作量。但是帶來的問題是必須在選型時(shí)考慮指導(dǎo)書中實(shí)驗(yàn)的安排是否合理。首先指導(dǎo)書應(yīng)符合知識(shí)的循序漸進(jìn)方式，開始安排一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，然后隨著課程學(xué)習(xí)的深入，一步一步深入。如瑞新RXPLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備中安排了基本指令的練習(xí)、驗(yàn)機(jī)程序、電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、模擬交通燈實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制運(yùn)料小車實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)售貨機(jī)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械手控制實(shí)驗(yàn)、電梯模擬實(shí)驗(yàn)一系列漸進(jìn)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做完以后會(huì)感覺收獲很大。天煌PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)基本指令編程練習(xí)、裝配流水線的模擬控制、LED數(shù)碼顯示控制、五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的模擬控制、十字路口交通燈控制、液體混合裝置控制的模擬、電梯控制系統(tǒng)的模擬、機(jī)械手動(dòng)作的模擬、四節(jié)傳送帶的模擬等系列實(shí)驗(yàn)也是不錯(cuò)的安排。
PLC中也有一些特別重要的指令（像步進(jìn)順控指令）和軟元件（定時(shí)器、計(jì)數(shù)器）功能，這些指令和軟元件應(yīng)用非常廣泛，可以設(shè)計(jì)一些專門針對(duì)他們的實(shí)驗(yàn)，選擇針對(duì)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。還可根據(jù)各專業(yè)的特點(diǎn)選擇具有新穎性、實(shí)用性、獨(dú)特性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)裝置，盡量使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容新而不深?yuàn)W、實(shí)用而不難做。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)像交通燈實(shí)驗(yàn)、七段碼顯示實(shí)驗(yàn)；化工類的2種液體自動(dòng)混合實(shí)驗(yàn)；機(jī)械類的自動(dòng)成型機(jī)實(shí)驗(yàn)等，這樣提高了學(xué)生的興趣從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｍ接蓪?shí)驗(yàn)屏和實(shí)驗(yàn)板箱組成。實(shí)驗(yàn)屏由主機(jī)（PLC）、數(shù)字量接口單元板及鋁鐵結(jié)構(gòu)的框架組成，采用鋁型材滑道結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)板放在滑道上移動(dòng)方便，可根據(jù)需要構(gòu)成不同實(shí)驗(yàn)線路，完成不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多而又比較靈活，可根據(jù)需要選擇。
3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的其他考慮
在設(shè)備計(jì)劃時(shí)需要考慮實(shí)驗(yàn)室空間等因素，如果實(shí)驗(yàn)室空間較大，可選用臺(tái)式裝置（如天煌公司的THPLC－A型、THPLC－B型可編程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，瑞新公司的RXPLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同方公司的TVT-90C，TVT-90E型PLC訓(xùn)練裝置等）。臺(tái)式裝置比較方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)的接線和測(cè)試，觀察程序運(yùn)行也較直觀，但較笨重；如果實(shí)驗(yàn)室空間較小則可選用箱式結(jié)構(gòu)（如天煌公司的THPLC-1型、THPLC-2型可編程控制模擬實(shí)驗(yàn)箱，同方的TVT-90A型PLC學(xué)習(xí)機(jī)等），其靈活性好、移動(dòng)方便。
選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)，還有如下幾點(diǎn)供考慮。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由PLC主機(jī)、工作電源、實(shí)驗(yàn)面板及顯示部分組成，教師希望通過實(shí)驗(yàn)掌握PLC主機(jī)的編程、電路的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工作等技能。但是如果所有實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對(duì)PLC形狀尚不知道，顯然是有欠缺的。如果選擇PLC布置在面板上的設(shè)備就可以避免這一問題，也可通過主機(jī)上的指示來觀察工作狀態(tài)。
如今PLC種類很多，指令和功能各不相同，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中也各有千秋，僅僅對(duì)一種PLC了解和運(yùn)用遠(yuǎn)不能適應(yīng)社會(huì)的要求，選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)若PLC主機(jī)能替換成別的機(jī)型對(duì)學(xué)生拓寬知識(shí)面有很大幫助。瑞新RXPLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以用其他類型相似的PLC來替換，其PLC放在面板上，端子、輸入輸出指示很直觀，觀察方便。
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書起的作用很大，一本好的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書可以指導(dǎo)學(xué)生順利完成各種實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)這門課程的了解，使學(xué)生對(duì)這門課程知識(shí)體系有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。在選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)，一定要注意他的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，看指導(dǎo)書介紹是否全面、內(nèi)容是否具體詳細(xì)、是否滿足課程要求、語言是否精煉等。
另外，如果需要安排比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，如真實(shí)的電梯模型實(shí)驗(yàn)、利用PLC組網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)過程控制等更加接近實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，可考慮同方的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，他已設(shè)計(jì)出TVT-2000E組合式多層電梯模型、TVT-2000B2過程控制教學(xué)裝置、TVT-2000A2臺(tái)立體倉庫聯(lián)網(wǎng)模型、TVT-99B材料分揀裝置等實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較接近實(shí)際。
4 結(jié) 語
PLC課程是自動(dòng)控制類專業(yè)的重要課程，PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)又是教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分。隨著國(guó)家對(duì)教育投入的加大，很多學(xué)校有新建實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)。由于PLC型號(hào)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的種類繁多，新實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備有很大的選擇余地，另一方面則可能很難決策。本文提供一些設(shè)備選型時(shí)應(yīng)該考慮的一些問題和參考方案，希望通過選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為PLC實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供參考，使得實(shí)驗(yàn)不僅僅是課堂教學(xué)的輔助，而是學(xué)生掌握知識(shí)和技能的必要手段。
參考文獻(xiàn)
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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