關鍵詞：PLC；教學；實驗；設備選型；
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算機控制的基礎上開發出來的，是以微處理器為核心，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種新型工業自動控制裝置，是現代工業自動化的3大支柱之首［1］。
如今，隨著美國、日本、德國等國家的很多大公司相繼投入對PLC的開發、應用和推廣，PLC得到了迅速發展，其產品的種類和數量越來越多，功能也越來越強。PLC功能的增強，也使得PLC應用更加廣泛，許多大中型企業不斷采用PLC來完成各種工業控制，并取得了顯著的經濟效益和社會效益。
PLC的廣泛應用要求培養出更多的熟悉其應用的高技術人才，而實驗是此課程教學的重要環節。近年來，一方面國民經濟的發展對技術改造和技術更新提出了更高的要求，工業生產的信息化和數字化成為必然趨勢，所以很多院校新設了自動化類的專業。另一方面，隨著國家對教育投入力度的增大，實驗室建設已經成為高校建設的重要任務。
由于PLC本身的種類很多，基于不同PLC的實驗設備也比較多，而設備生產廠家的選型和設計思想各不相同，所以對于不同情況的院校，在設備選型方面必須有不同的考慮。目前有眾多廠家生產的設備可供選擇，本文以清華同方的TVT-90A，TVT-90C1，TVT-90C6，TVT-90E3；杭州天煌電氣設備廠的THPLC-A型，THPLC-B型，許昌瑞新電氣公司的RXPLC等型號為例討論PLC實驗室建設的一些問題，提出了應該注意的問題，應該根據本校的培養目標和實驗開設情況合理選擇設備，防止盲目性的“一次到位”或僅考慮價格等不當的做法。
2 實驗設備的考慮
PLC品種繁多，功能不同，而且價格也比較昂貴，我們在組建實驗室時首先要考慮做實驗的對象以及對課程的要求程度，根據實際情況選擇合適的實驗設備。
2．1 PLC主機的選型
2．1．1 模擬I／O點和模擬實驗
采用兼有數字和模擬量點的PLC裝置通常用作比較復雜的實驗，像過程控制、各種控制算法的驗證等。如同方的TVT-2000B2過程控制教學裝置和TVT-90C1PLC訓練裝置。此類設備多選用功能較強的PLC主機（如松下公司的FP1系列）設計的實驗設備。所以價格比較高，一般都在萬元以上。TVT-90C1PLC訓練裝置（臺式結構）含模擬量模塊4個A／D轉換器、2個D／A轉換器，TVT-90C6 PLC訓練裝置（臺式結構）含模擬量模塊2個A／D轉換器、1個D／A轉換器。
特別要注意的是有些稱為“可編程控制實驗模擬裝置”的設備并不含有模擬量實驗的功能，所謂“模擬”僅僅是指真實對象的模仿（如用發光二極管表示電機的起停）。但是同方生產的機械手模型、電梯模型、立體倉庫模型等則是真實系統的縮微模型。
目前絕大部分稱為“PLC實驗”裝置或箱子的設備都只有數字I／O點，而且實驗方式多為模擬的。一般是用發光管或數碼管表示輸出輸入的狀態。比較“逼真”的則采用平面顯示器（箭頭、發光帶等）。如電梯控制實驗，通常是以圖形表示樓層，用發光管或平面顯示器表示轎箱的運動狀態和位置。
2．1．2 PLC主機型號
目前進入我國的PLC種類比較多，如歐姆龍、三菱、西門子等，每一個廠家的產品中又有眾多系列產品。所以為設備的選型帶來麻煩。實驗裝置采用何種型號的PLC最主要的因素要取決于教材內容，另外要考慮價格因素。
如果要求投資較少，讓學生對PLC有一個基本的認識和了解，可以選擇主機為整體型PLC（如天煌THPLC型采用三菱FX系列的FX0s-20MR主機、瑞新RXPLC的主機采用FX1N-24主機、同方的TVT-90A型采用松下FP1-C24主機等）的設備。整體型PLC結構緊湊、體積較小、價格便宜。但是整體型PLC有使用不夠靈活、I／O點數固定、不易維修等缺點。如果要求實驗方便、靈活，并滿足不同層次學生學習，可以選擇模塊式PLC設計的實驗設備，但其造價高、結構復雜。
2．1．3 I／O點數和RAM的容量
I／O口數量是確定實驗規模的的主要因素，可根據實驗所用到的I／O數量來估算。一般實驗設備是基于I／O點數在120點以下的小型PLC（如三菱的F1，F2和FX0等，歐姆龍SP20系列，西門子的S5-95,S5-200，松下的FP1系列等）設計的。同方的TVT-90型主機為松下FP1-C24，輸入點數為16點、輸出點數為8點；TVT-90C型輸入輸出點數為30-40點；瑞新RXPLC的主機為三菱公司的FX1N-24MR，輸入點數為14點、輸出點數為10點，繼電器輸出。天煌THPLC型主機采用三菱的FXOS-20MR可編程序控 制器的實驗設備I／O點數為20點，繼電器輸出。
I／O部分的價格約占PLC價格的一半以上，其成本較高，所以應在選型時給予足夠的重視。如果在設備選購后發生I／O口數量不夠，也可以采用擴展的I／O口。所以在設備選購時，了解所選設備的PLC是否有I／O擴充能力也是很必要的，為以后可能的I／O口擴展提供便利。如瑞新的RXPLC設備具有擴展I／O口功能，24點的PLC可擴展至128點I／O。
PLC主機輸出口類型按照負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構是由CPU發出的控制信號經反相器和光電耦合器使晶體管導通，由晶體管控制I／O的通斷，從而使相應的負載接通，只適用于直流負載。可控硅輸出方式則利用可控硅作開關器件，只適合于交流負載。繼電器輸出方式是利用繼電器的接點來控制輸出回路的通斷，可帶直流負載或交流負載。
PLC的RAM存儲容量是一定的，必要時要考慮E2PROM的選配。選擇存儲器容量時，一般可按實際需要的25％考慮余量。當要求存儲容量大而RAM空間不夠時，可以選擇帶E2PROM的實驗設備。瑞新實驗設備（主機為三菱FX1N-24MR）程序容量為8000步，浙江天煌實驗設備（主機型號為三菱FX0S 20MR）程序容量為800步，清華同方實驗設備（主機型號為松下FP1-C24）程序容量為2700多步。但采用E2PROM時，由于全部E2PROM的程序作為一個整體運行，所以E2PROM中的程序并不能分成多個實驗各自占用一塊隨意選擇其中一個使用，而是一次只能運行一個實驗程序。
2．2 PLC實驗裝置（箱）的選型
2．2．1 編程輸入方式
通常有手持編程器和PC機編程2種方式。PC編程的特點是輸入界面友好、閱讀和修改程序比較方便。現場的作業為方便起見常常采用手持編程器編程方式。如果實驗內容想要覆蓋此種方式，或者實驗室的布局不考慮PC機的配置，則必須配手持編程器。杭州天煌公司和許昌瑞新公司實驗設備有日本三菱FX-20P-E型手持編程器為可選件。
2．2．2 安全性
在設備選型時，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。在選型時必須搞清I／O端子電壓是否安全、端子是否容易被學生觸及等問題。實際上如上所述，現有的實驗設備絕大部分是對真實系統模擬的方式進行的，所以有些設備廠家為了安全，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有問題。
設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體系的實驗設備，一般公司像清華同方、浙江天煌、許昌瑞新都考慮較好。其中有些產品考慮得更周到一些，如采用隔離變壓器；實驗部分加過流斷電保護等措施。
2．2．3 負載能力
通常的實驗用發光二極管作為輸入輸出指示，負載較輕。但對比較實際的控制實驗（如實際的行程開關、限位開關輸入，過程控制和控制實際的電動機等）時，對PLC輸入輸出端子的帶負載能力就要提出要求，同方TVT-90A箱式PLC學習機、TVT-90C臺式PLC學習機輸出繼電器允許電流（純電阻負載）2 A（250 V，AC）；瑞新的PLC實驗設備輸出繼電器允許電流（純電阻負載）為2 A（250 V，AC）。
2．2．4 可測試性
一般的PLC實驗設備在主機面板上可以看見輸入輸出狀態，但有些則因顯示器件過小或設計不合理而不顯著。設備選型應考慮實驗的可觀性和可測試性。有些實驗裝置面板布置比較合理，裝有邏輯筆或小電 壓表可供實驗者隨時測試輸入輸出的邏輯狀態，對各電路的導通、截止一目了然。瑞新PLC實驗裝置面板布置了小測試儀，使用比較方便。
在對PLC編程時，如果采用PC編程，必須了解編 程軟件界面。當今，PLC種類很多，其編程軟件也很多，編程軟件有基于DOS操作系統的，也有基于bbbbbbs操作系統的，通常基于bbbbbbs操作系統的軟件界面較友好，給學生學習帶來很大方便。瑞新PLC采用基于bbbbbbs操作系統的編程軟件Fxgp。有些編程軟件是漢化的，會有某些學校有使用漢化軟件的要求。
2．2．5 實驗內容
實驗內容是設備選型的重要依據。一般設備廠家會提供相應的實驗指導書，這樣會減少實驗教師的工作量。但是帶來的問題是必須在選型時考慮指導書中實驗的安排是否合理。首先指導書應符合知識的循序漸進方式，開始安排一些簡單的實驗，然后隨著課程學習的深入，一步一步深入。如瑞新RXPLC實驗設備中安排了基本指令的練習、驗機程序、電機正反轉實驗、模擬交通燈實驗、自動控制運料小車實驗、自動售貨機實驗、機械手控制實驗、電梯模擬實驗一系列漸進實驗，學生做完以后會感覺收獲很大。天煌PLC實驗設備設計基本指令編程練習、裝配流水線的模擬控制、LED數碼顯示控制、五相步進電動機的模擬控制、十字路口交通燈控制、液體混合裝置控制的模擬、電梯控制系統的模擬、機械手動作的模擬、四節傳送帶的模擬等系列實驗也是不錯的安排。
PLC中也有一些特別重要的指令（像步進順控指令）和軟元件（定時器、計數器）功能，這些指令和軟元件應用非常廣泛，可以設計一些專門針對他們的實驗，選擇針對性強的實驗設備。還可根據各專業的特點選擇具有新穎性、實用性、獨特性實驗內容的實驗裝置，盡量使實驗內容新而不深奧、實用而不難做。基礎性實驗像交通燈實驗、七段碼顯示實驗；化工類的2種液體自動混合實驗；機械類的自動成型機實驗等，這樣提高了學生的興趣從而達到實驗目的。同方由實驗屏和實驗板箱組成。實驗屏由主機（PLC）、數字量接口單元板及鋁鐵結構的框架組成，采用鋁型材滑道結構，實驗板放在滑道上移動方便，可根據需要構成不同實驗線路，完成不同的實驗內容，實驗內容多而又比較靈活，可根據需要選擇。
3 實驗室建設的其他考慮
在設備計劃時需要考慮實驗室空間等因素，如果實驗室空間較大，可選用臺式裝置（如天煌公司的THPLC－A型、THPLC－B型可編程控制實驗模擬裝置，瑞新公司的RXPLC實驗設備，同方公司的TVT-90C，TVT-90E型PLC訓練裝置等）。臺式裝置比較方便學生實驗的接線和測試，觀察程序運行也較直觀，但較笨重；如果實驗室空間較小則可選用箱式結構（如天煌公司的THPLC-1型、THPLC-2型可編程控制模擬實驗箱，同方的TVT-90A型PLC學習機等），其靈活性好、移動方便。
選擇實驗設備時，還有如下幾點供考慮。
實驗設備主要由PLC主機、工作電源、實驗面板及顯示部分組成，教師希望通過實驗掌握PLC主機的編程、電路的設計、系統工作等技能。但是如果所有實驗完成后，學生對PLC形狀尚不知道，顯然是有欠缺的。如果選擇PLC布置在面板上的設備就可以避免這一問題，也可通過主機上的指示來觀察工作狀態。
如今PLC種類很多，指令和功能各不相同，實際工業應用中也各有千秋，僅僅對一種PLC了解和運用遠不能適應社會的要求，選擇實驗設備時若PLC主機能替換成別的機型對學生拓寬知識面有很大幫助。瑞新RXPLC實驗設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。
在實驗教學中實驗指導書起的作用很大，一本好的實驗指導書可以指導學生順利完成各種實驗，通過實驗加深學生對這門課程的了解，使學生對這門課程知識體系有系統的認識。在選擇實驗設備時，一定要注意他的實驗指導書，看指導書介紹是否全面、內容是否具體詳細、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雜的實驗，如真實的電梯模型實驗、利用PLC組網和實現過程控制等更加接近實際的實驗，可考慮同方的實驗設備，他已設計出TVT-2000E組合式多層電梯模型、TVT-2000B2過程控制教學裝置、TVT-2000A2臺立體倉庫聯網模型、TVT-99B材料分揀裝置等實驗設備比較接近實際。
4 結 語
PLC課程是自動控制類專業的重要課程，PLC實驗室建設又是教學環節的重要組成部分。隨著國家對教育投入的加大，很多學校有新建實驗室的任務。由于PLC型號和實驗設備的種類繁多，新實驗室的設備有很大的選擇余地，另一方面則可能很難決策。本文提供一些設備選型時應該考慮的一些問題和參考方案，希望通過選擇合適的實驗設備為PLC實驗室建設提供參考，使得實驗不僅僅是課堂教學的輔助，而是學生掌握知識和技能的必要手段。
參考文獻
［1］王也仿．可編程控制器應用技術［M］．北京：機械工業出版社，2001．
［2］常斗南，等．可編程序控制器原理·應用·實驗［M］．北京：機械工業出版社，2002．
［3］楊長能，張興毅．可編程序控制器（PC）基礎及應用［M］．重慶：重慶大學出版社，1992．
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
