目前浅谈PLC教学实验设备的选型

浅谈PLC教学实验设备的选型

摘 要：可编程控制器（PLC）的课程已经成为高校自动化类专业的必修课程，实验是该课程的必要环节。由于PLC种类很多、档次不同，对实验内容也有不同的要求，为建设实验室设备的选择带来一定困难。本文针对目前国内市场的主要设备，讨论在设备选型时应予考虑的问题和实验开设应注意的事项。

关键词：PLC；教学；实验；设备选型；

Selection of PLC s Teaching Experimental Equipments

LIU Bing，YANG Yong，WANG Fuyuan

（Zhengzhou University，Zhengzhou，450052，China）

Abstract：The course of PLC has already been the required one for automation majorsin universities．Teaching experiments are the necessary segment of thatcourse．W hen we construct the labs，it is difficult to select the equipment form lots classes of PLC．

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

可编程控制器（PLC）是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置，是现代工业自动化的3大支柱之首［1］。

如今，随着美国、日本、德国等国家的很多大公司相继投入对PLC的开发、应用和推广，PLC得到了迅速发展，其产品的种类和数量越来越多，功能也越来越强。PLC功能的增强，也使得PLC应用更加广泛，许多大中型企业不断采用PLC来完成各种工业控制，并取得了显著的经济效益和社会效益。

PLC的广泛应用要求培养出更多的熟悉其应用的高技术人才，而实验是此课程教学的重要环节。近年来，一方面国民经济的发展对技术改造和技术更新提出了更高的要求，工业生产的信息化和数字化成为必然趋势，所以很多院校新设了自动化类的专业。另一方面，随着国家包括耐强酸和大部份有机物对教育投入力度的增大，实验室建设已经成为高校建设的重要任务。

由于PLC本身的种类很多，基于不同PLC的实验设备也比较多，而设备生产厂家的选型和设计思想各不相同，所以对于不同情况的院校，在设备选型方面必须有不同的考虑。目前有众多厂家生产的设备可供选择，本如果哪一个环节出了问题文以清华同方的TVT-90A，TVT-90C1，TVT-90C6，TVT-90E3；杭州天煌电气设备厂的THPLC-A型，THPLC-B型，许昌瑞新电气公司的RXPLC等型号为例讨论PLC实验室建设的一些问题，提出了应该注意的问题，应该根据本校的培养目标和实验开设情况合理选择设备，防止盲目性的 一次到位 或仅考虑价格等不当的做法。

2 实验设备的考虑

PLC品种繁多，功能不同，而且价格也比较昂贵，我们在组建实验室时首先要考虑做实验的对象以及对课程的要求程度，根据实际情况选择合适的实验设备。

2．1 PLC主机的选型

2．1．1 模拟I／O点和模拟实验

采用兼有数字和模拟量点的PLC装置通常用作比较复杂的实验，像过程控制、各种控制算法的验证等。如同方的TVT-2000B2过程控制教学装置和TVT-90C1PLC训练装置。此类设备多选用功能较强的PLC主机（如松下公司的FP1系列）设计的实验设备。所以价格比较高，一般都在万元以上。TVT-90C1PLC训练装置（台式结构）含模拟量模块4个A／D转换器、2个D／A转换器，TVT-90C6 PLC训练装置（台式结构）含模拟量模块2个A／D转换器、1个D／A转换器。

特别要注意的是有些称为 可编程控制实验模拟装置 的设备并不含有模拟量实验的功能，所谓 模拟 仅仅是指真实对象的模仿（如用发光二极管表示电机的起停）。但是同方生产的机械手模型、电梯模型、立体仓库模型等则是真实系统的缩微模型。

目前绝大部分称为 PLC实验 装置或箱子的设备都只有数字I／O点，而且实验方式多为模拟的。一般是用发光管或数码管表示输出输入的状态。比较 逼真 的则采用平面显示器（箭头、发光带等）。如电梯控制实验，通常是以图形表示楼层，用发光管或平面显示器表示轿箱的运动状态和位置。

2．1．2 PLC主机型号

目前进入我国的PLC种类比较多，如欧姆龙、三菱、西门子等，每一个厂家的产品中又有众多系列产品。所以为设备的选型带来麻烦。实验装置采用何种型号的PLC最主要的因素要取决于教材内容，另外要考虑价格因素。

如果要求投资较少，让学生对PLC有一个基本的认识和了解，可以选择主机为整体型PLC（如天煌THPLC型采用三菱FX系列的FX0s-20MR主机、瑞新RXPLC的主机采用FX1N-24主机、同方的TVT-90A型采用松下FP1-C24主机等）的设备。整体型PLC结构紧凑、体积较小、价格便宜。但是整体型PLC有使用不够灵活、I／O点数固定、不易维修等缺点。如果要求实验方便、灵活，并满足不同层次学生学习，可以选择模块式PLC设计的实验设备，但其造价高、结构复杂。

2．1．3 I／O点数和RAM的容量

I／O口数量是确定实验规模的的主要因素，可根据实验所用到的I／O数量来估算。一般实验设备是基于I／O点数在120点以下的小型PLC（如三菱的F1，F2和FX0等，欧姆龙SP20系列，西门子的S,S，松下的FP1系列等）设计的。同方的TVT-90型主机为松下FP1-C24，输入点数为16点、输出点数为8点；TVT-90C型输入输出点数为点；瑞新RXPLC的主机为三菱公司的FX1N-24MR，输入点数为14点、输出点数为1济南实验机厂经常使用的电子UTM实验机的容量为100～135000 lb0点，继电器输出。天煌THPLC型主机采用三菱的FXOS-20MR可编程序控 制器的实验设备I／O点数为20点，继电器输出。

I／O部分的价格约占PLC价格的一半以上，其成本较高，所以应在选型时给予足够的重视。如果在设备选购后发生I／O口数量不够，也可以采用扩展的I／O口。所以在设备选购时，了解所选设备的PLC是否有I／O扩充能力也是很必要的，为以后可能的I／O口扩展提供便利。如瑞新的RXPLC设备具有扩展I／O口功能，24点的PLC可扩展至128点I／O。

PLC主机输出口类型按照负载使用的电源不同分为直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块，按照输出开关器件的种类不同可分为继电器、晶体管、可控硅3种。晶体管输出方式的结构是由CPU发出的控制信号经反相器和光电耦合器使晶体管导通，由晶体管控制I／O的通断，从而使相应的负载接通，只适用于直流负载。可控硅输出方式则利用可控硅作开关器件，只适合于交流负载。继电器输出方式是利用继电器的接点来控制输出回路的通断，可带直流负载或交流负载。

PLC的RAM存储容量是一定的，必要时要考虑E2PROM的选配。选择存储器容量时，一般可按实际需要的25％考虑余量。当要求存储容量大而RAM空间不够时，可以选择带E2PROM的实验设备。瑞新实验设备（主机为三菱FX1N-24MR）程序容量为8000步，浙江天煌实验设备（主机型号为三菱FX0S 20MR）程序容量为800步算机的通讯线能否联机正常；再装备治理器中检讨USB硬件驱动能否正常，清华同方实验设备（主机型号为松下FP1-C24）程序容量为2700多步。但采用E2PROM时，由于全部E2PROM的程序作为一个整体运行，所以E2PROM中的程序并不能分成多个实验各自占用一块随意选择其中一个使用，而是一次只能运行一个实验程序。

2．2 PLC实验装置（箱）的选型

2．2．1 编程输入方式

通常有手持编程器和PC机编程2种方式。PC编程的特点是输入界面友好、阅读和修改程序比较方便。现场的作业为方便起见常常采用手持编程器编程方式。如果实验内容想要覆盖此种方式，或者实验室的布局不考虑PC机的配置，则必须配手持编程器。杭州天煌公司和许昌瑞新公司实验设备有日本三菱FX-20P-E型手持编程器为可选件。

2．2．2 安全性

在设备选型时，安全性也必须作为重要问题加以考虑。PLC的工作电压一般为220 V或380 V，输入输出模块电压有些是PLC提供的、有些是用户提供的，由于PLC种类不同，这些电压也有所不同。在选型时必须搞清I／O端子电压是否安全、端子是否容易被学生触及等问题。实际上如上所述，现有的实验设备绝大部分是对真实系统模拟的方式进行的，所以有些设备厂家为了安全，将所有输出、输入端子（除了PLC自用的市电电压）改用设备厂专门附加的低压电源（24 V以下），这样即使带电操作也不会有问题。

设备的选购一定要选择安全性考虑比较好、提供可靠的人身安全保护体系的实验设备，一般公司像清华同方、浙江天煌、许昌瑞新都考虑较好。其中有些产品考虑得更周到一些，如采用隔离变压器；实验部分加过流断电保护等措施。

2．2．3 负载能力

通常的实验用发光二极管作为输入输出指示，负载较轻。但对比较实际的控制实验（如实际的行程开关、限位开关输入，过程控制和控制实际的电动机等）时，对PLC输入输出端子的带负载能力就要提出要求，同方TVT-90A箱式PLC学习机、TVT-90C台式PLC学习机输出继电器允许电流（纯电阻负载）2 A（250 V，AC）；瑞新的PLC实验设备输出继电器允许电流（纯电阻负载）为2 A（250 V，AC）。

2．2．4 可测试性

一般的PLC实验设备在主机面板上可以看见输入输出状态，但有些则因显示器件过小或设计不合理而不显著。设备选型应考虑实验的可观性和可测试性。有些实验装置面板布置比较合理，装有逻辑笔或小电 压表可供实验者随时测试输入输出的逻辑状态，对各电路的导通、截止一目了然。瑞新PLC实验装置面板布置了小测试仪，使用比较方便。

在对PLC编程时，如果采用PC编程，必须了解编 程软件界面。当今，PLC种类很多，其编程软件也很多，编程软件有基于DOS操作系统的，也有基于Windows操作系统的，通常基于Windows操作系统的软件界面较友好，给学生学习带来很大方便。瑞新PLC采用基于Windows操作系统的编程软件Fxgp。有些编程软件是汉化的，会有某些学校有使用汉化软件的要求。

2．2．5 实验内容

实验内容是设备选型的重要依据。一般设备厂家会提供相应的实验指导书，这样会减少实验教师的工作量。但是带来的问题是必须在选型时考虑指导书中实验的安排是否合理。首先指导书应符合知识的循序渐进方式，开始安排一些简单的实验，然后随着课程学习的深入，一步一步深入。如瑞新RXPLC实验设备中安排了基本指令的练习、验机程序、电机正反转实验、模拟交通灯实验、自动控制运料小车实验、自动售货机实验、机械手控制实验、电梯模拟实验一系列渐进实验，学生做完以后会感觉收获很大。天煌PLC实验设备设计基本指令编程练习、装配流水线的模拟控制、LED数码显示控制、五相步进电动机的模拟控制、十字路口交通灯控制、液体混合装置控制的模拟、电梯控制系统的模拟、机械手动作的模拟、四节传送带的模拟等系列实验也是不错的安排。

PLC中也有一些特别重要的指令（像步进顺控指令）和软元件（定时器、计数器）功能，这些指令和软元件应用非常广泛，可以设计一些专门针对他们的实验，选择针对性强的实验设备。还可根据各专业的特点选择具有新颖性、实用性、独特性实验内容的实验装置，尽量使实验内容新而不深奥、实用而不难做。基础性实验像交通灯实验、七段码显示实验；化工类的2种液体自动混合实验；机械类的自动成型机实验等，这样提高了学生的兴趣从而达到实验目的。同方由实验屏和实验板箱组1些主要的特殊机种如排气挤出机、串连式磨盘螺杆挤出机、往复式销钉螺杆挤出机、发泡挤出机、带熔体齿轮泵的挤出机、串连式多阶挤出机、行星螺杆挤出机等在国内均有厂家生产成。实验屏由主机（PLC）、数字量接口单元板及铝铁结构的框架组成，采用铝型材滑道结构，实验板放在滑道上移动方便，可根据需要构成不同实验线路，完成不同的实验内容，实验内容多而又比较灵活，可根据需要选择。

3 实验室建设的其他考虑

在设备计划时需要考虑实验室空间等因素，如果实验室空间较大，可选用台式装置（如天煌公司的THPLC－A型、THPLC－B型可编程控制实验模拟装置，瑞新公司的RXPLC实验设备，同方公司的TVT-90C，TVT-90E型PLC训练装置等）。台式装置比较方便学生实验的接线和测试，观察程序运行也较直观，但较笨重；如果实验室空间较小则可选用箱式结构（如天煌公司的THPLC-1型、THPLC-2型可编程控制模拟实验箱，同方的TVT-90A型PLC学习机等），其灵活性好、移动方便。

选择实验设备时，还有如下几点供考虑。

实验设备主要由PLC主机、工作电源、实验面板及显示部分组成，教师希望通过实验掌握PLC主机的编程、电路的设计、系统工作等技能。但是如果所有实验完成后，学生对PLC形状尚不知道，显然是有欠缺的。如果选择PLC布置在面板上的设备就可以避免这一问题，也可通过主机上的指示来观察工作状态。

如今PLC种类很多，指令和功能各不相同，实际工业应用中也各有千秋，仅仅对一种PLC了解和运用远不能适应社会的要求，选择实验设备时若PLC主机能替换成别的机型对学生拓宽知识面有很大帮助。瑞新RXPLC实验设备可以用其他类型相似的PLC来替换，其PLC放在面板上，端子、输入输出指示很直观，观察方便。

在实验教学中实验指导书起的作用很大，一本好的实验指导书可以指导学生顺利完成各种实验，通过实验加深学生对这门课程的了解，使学生对这门课程知识体系有系统的认识。在选择实验设备时，一定要注意他的实验指导书，看指导书介绍是否全面、内容是否具体详细、是否满足课程要求、语言是否精炼等。

另外，如果需要安排比较复杂的实验，如真实的电梯模型实验、利用PLC组和实现过程控制等更加接近实际的实验，可考虑同方的实验设备，他已设计出TVT-2000E组合式多层电梯模型、TVT-2000B2过程控制教学装置、TVT-2000A2台立体仓库联模型、TVT-99B材料分拣装置等实验设备比较接近实际。

4 结 语

PLC课程是自动控制类专业的重要课程，PLC实验室建设又是教学环节的重要组成部分。随着国家对教育投入的加大，很多学校有新建实验室的任务。由于PLC型号和实验设备的种类繁多，新实验室的设备有很大的选择余地，另一方面则可能很难决策。本文提供一些设备选型时应该考虑的一些问题和参考方案，希望通再生塑料造粒机作业涉及国民经济的广泛领域过选择合适的实验设备为PLC实验室建设提供参考，使得实验不仅仅是课堂教学的辅助，而是学生掌握知识和技能的必要手段。

参考文献

［1］王也仿．可编程控制器应用技术［M］．北京：机械工业出版社，2001．

［2］常斗南，等．可编程序控制器原理 应用 实验［M］．北京：机械工业出版社，2002．

［3］杨长能，张兴毅．可编程序控制器（PC）基础及应用［M］．重庆：重庆大学出版社，1992．