FX-TRN-BEG-C 仿真系統(tǒng)在實踐教學中的應用：以福建水利電力職業(yè)技術學院“電氣控制與PLC 技術”實踐教學為例＊

劉起漢

（福建水利電力職業(yè)技術學院電力工程學院，福建 三明 366000）

“電氣控制與PLC 技術”是針對電氣自動化、電力控制及維護等領域而設計的課程，在當今日益發(fā)展的電力工業(yè)中，人們需要運用現代控制技術和計算機技術來實現電力負荷的平衡控制，保證電氣設備的運行安全與穩(wěn)定性[1]。通過學習“電氣控制與PLC 技術”，學生能夠深入了解電力系統(tǒng)自動化控制的原理和方法，具備獨立分析和解決電控自動化系統(tǒng)中的問題的能力和技術，為發(fā)電廠及電力系統(tǒng)的實際工作提供重要的幫助。

“電氣控制與PLC 技術”作為發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)的專業(yè)基礎課程，要求學生結合基礎理論知識，具有一定的實踐能力。然而，目前高職院校在進行課程教學時，仍存在一定的難題，具體表現在：“電氣控制及PLC 技術”面向企業(yè)生產，知識點偏向于實際應用且抽象，往往需要結合實際的工程實例進行教學；學生對教師純理論的課堂容易出現疲倦狀態(tài)，在課堂上容易走神，久而久之，學生失去了學習這門課程的興趣；PLC 實驗設備一般比較昂貴，應用的場景也比較多，需要很多對應的教學設備來輔助教學，但很多學校資金有限，無力支撐多場景的實驗設備，使學生缺乏很多練習機會。

此外，由于電器元件和PLC 設備的工作電壓一般在人體安全電壓以上，因此應用實際設備教學時，需考慮學生的使用安全問題?？紤]到目前的教學現狀，在教學中采用FX-TRN-BEG-C 仿真系統(tǒng)，以提高課堂的教學效果[2]。

1 三菱FX-TRN-BEG-C 仿真軟件的教學優(yōu)勢

1.1 FX-TRN-BEG-C 仿真軟件介紹

FX-TRN-BEG-C 仿真教學系統(tǒng)是一種基于Mitsubishi Electric FX 系列PLC 的仿真軟件，可以為學生提供較為真實的PLC 編程環(huán)境。FX-TRN-BEG-C 仿真軟件畫面配置如圖1 所示，畫面主要包括：用來顯示練習指導和操作方法的索引窗口，具有簡易操作按鈕的遠程控制窗口，模擬機械動作的3D 畫面仿真，編寫PLC 程序的梯形圖程序區(qū)域，顯示輸入和輸出信號的I/O 映像表，以及具有簡易開關和輸出燈的操作面板。此外，此軟件具有梯形圖編輯模塊，仿真時無需通過三菱的編程軟件GX Developer 編寫程序，編程的方式與工程編程軟件一致，便于教學[3]。

圖1 FX-TRN-BEG-C 仿真軟件畫面配置圖

單擊遠程控制窗口“梯形圖編輯”按鈕，在梯形圖程序區(qū)域編輯設計程序，單擊控制窗口中的“PLC寫入”按鈕，即可完成PLC 程序的上載任務，將程序寫入仿真的已在線聯(lián)機好的FX2N-48MR 可編程控制器，寫入之后，便可以通過控制操作界面的按鈕和開關，控制程序的開始，仿真驅動機械設備運行，設備的動作情況會在3D 仿真畫面顯示。以便使用者實際觀察整個動作的情況，根據反應的動作進行調試工作。

1.2 FX-TRN-BEG-C 仿真軟件的優(yōu)勢

在FX-TRN-BEG-C 仿真教學系統(tǒng)中，學生可以進行虛擬實驗，了解PLC 的基本原理和應用方法，并通過實踐項目設計提高自己的實踐能力和創(chuàng)新精神。學生可以通過系統(tǒng)中的仿真實驗來模擬真實的PLC 控制維護與調試，如開關量輸入的編程、調試。通過這些仿真實驗，學生可以充分了解電氣控制的各種情況，學生可以體驗實際的電氣控制和PLC 技術操作，模擬各種實際情況，并在過程中學會尋找解決問題的方法。通過仿真操作，學生不僅能夠掌握基本的電氣控制理論知識和PLC 編程技能，還可以學會利用PLC 編程進行控制系統(tǒng)的設計、調試和維修。

在仿真實驗中，學生可以接觸到各種實際的操作場景，例如利用PLC 控制工業(yè)設備和生產線。學生可以通過仿真實驗學習如何編制PLC 程序，以及如何運用PLC 完成開關量控制工作。此外，學生還可以通過仿真實驗，對PLC 控制的各種情況下錯誤情況進行分析和解決，以進一步加深對PLC 技術的掌握。因此，FX-TRN-BEG-C 仿真教學系統(tǒng)是一種非常有效的PLC仿真實訓工具，可以幫助學生掌握PLC 的基本原理和應用技能，并為他們未來的工作打下堅實的基礎。

同時，FX-TRN-BEG-C 仿真教學系統(tǒng)還具有如下優(yōu)勢：可以有效降低實驗教學成本，不需要購買真實的實驗設備，也無需學生到實驗室學習；教學資源可共享，“云實驗”能夠適用于很多學校、機構，不局限于地域范圍內的學習；仿真實驗也具有時間靈活、操作簡單等優(yōu)點，可以根據學生的實際需求和時間計劃進行安排，用最短的時間讓學生掌握最多的技能。

2 FX-TRN-BEG-C 仿真教學示例

為了提高實驗教學效果，與傳統(tǒng)教學不同，教師不再簡單地演示操作過程，而是通過引入簡單項目的方法，從簡到繁，循序漸進，讓學生充分理解控制要求后，思考如何用所學的“電氣控制與PLC 技術”來解決問題，利用仿真教學系統(tǒng)，完成教師布置的任務，通過仿真演示結果分析調試，不斷完善控制要求。以福建水利電力職業(yè)技術學院發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)“電氣控制與PLC 技術”課程中的實踐教學為例，選擇車庫自動門作為教學示例演示。

2.1 分析仿真項目要求

教師分配項目提出任務要求，引導學生進行項目學習。啟動 FX-TRN-BEG-C 仿真軟件，打開如圖2的所示的“F-1.自動門操作”模塊，要求學生在實驗報告中記錄將觀察到的硬件。該項目的硬件組成包括：FX2N-48MR 可編程控制器（已在線聯(lián)機好），輸入部分有入/出口傳感器、卷簾門上/下限位開關，輸出部分有卷簾門上升/下降執(zhí)行機構、指示燈、蜂鳴器。這些硬件都與實際設計相符合，便于學生結合生活實際學習課程內容。

圖2 自動門操作模塊畫面配置圖

要求學生分析控制要求，自動門控制過程如下：當小車前進，入口傳感器檢測到小車時，車庫的卷簾門上升，卷簾門達到上限時燈亮起；當車庫出口傳感器檢測到有車并且車庫入口長達60 s 時，蜂鳴器響起提醒卷簾門下降，門達到下限完成一次工作，等待進入下一個循環(huán)工作。

2.2 分配I/O 地址

傳感器將輸入信號傳到可編程控制器對應的輸入端口地址，可編程控制器接收信號并依據用戶程序（梯形圖程序）執(zhí)行，并將執(zhí)行結果傳輸到對應的輸出端口地址，輸出連接的電器元件執(zhí)行動作。這部分教學內容要求學生具有完整的知識體系，結合教材理論教學后，可幫助學生查缺補漏。要求學生分析控制要求，明確每個元件的功能，并將仿真畫面中的端口元件，分配I/O 地址并記錄在實驗報告中。

分析該自動控制門系統(tǒng)有4 個輸入信號、4 個輸出信號，對應的端口地址及功能如表1 所示。

表1 I/O 分配表

2.3 系統(tǒng)程序設計

可編程控制系統(tǒng)根據用戶程序執(zhí)行，要求學生規(guī)范編寫用戶程序，這部分是教學的重點與難點，此外，要引導學生應用規(guī)范的編程思想。自動控制門的工作流程是根據內部狀態(tài)和時間的順序，按預先規(guī)定的順序自動有序進行工作，是典型的順序控制，可以引導學生利用所學的狀態(tài)轉移思想進行編程。在教學中引導學生，按照工作流程和要求，將一個工作周期劃分為若干階段，并明確每一階段的輸入變化條件及輸出的執(zhí)行動作，完成該項目的順序功能圖。

編寫自動門的順序功能如圖3 所示。三菱仿真軟件FX-TRN-BEG-C 只支持梯形圖寫入，因此需要把圖3 的順序功能圖轉化成梯形圖。

圖3 順序功能圖

2.4 系統(tǒng)程序調試

傳統(tǒng)的調試，需要設備接線連機，需要花費過多的教學時間，通過FX-TRN-BEG-C 仿真系統(tǒng)可直接調試，并以3D 仿真動畫的形式非常直觀地模擬現場調試可能出現的問題。整個調試在軟件中完成，與傳統(tǒng)的現場調試教學相比，降低了教學成本且相對安全；整個教學環(huán)節(jié)緊湊完整，仿真的結果通過3D 仿真動畫的形式直觀展示出來，大大增加了學生的學習興趣，提高了學生對課堂的專注度。教師在這部分教學當中更多的是引導學生發(fā)現問題，獨立完成項目調試，從而達到提升教學效果的目的。

模擬現場調試過程，單擊界面左側的“PLC 寫入”按鈕，將轉化好的梯形圖上載到模擬可編程控制器當中，并啟動仿真。鼠標長按3D 仿真畫面上的“車前進”按鈕，藍色小車前進，入口傳感器X2 檢測到小車時，執(zhí)行機構Y0 動作卷簾門上升，傳感器X1 檢測到卷簾門達到上限，Y0 停止動作，并且指示燈亮Y6 起；當車庫出口傳感器檢測到有車并且車庫入口長達60 s時，蜂鳴器Y7 響起同時執(zhí)行機構Y1 動作卷簾門下降，門達到下限完成一次工作，等待進入下一個循環(huán)工作。此外，在仿真過程中，也可以觀察輸入輸出指示燈，分析動作情況。如果展示的動畫流程不一致，則要求學生分析問題調試程序，直到學生完任務要求。

2.5 總結與擴展

總結該項目的設計流程：分析控制要求，分配I/O表，程序設計，調試程序。其中程序設計采用的是順序控制設計法，在設計順序功能圖時，將整個工作過程分解成每一個階段，給每個階段分配一個輔助繼電器，明確每個輔助繼電器的動作；然后確定每個輔助繼電器的轉移條件就完成了順序功能圖設計，將順序功能圖轉化為梯形圖即可。

總結后布置作業(yè)：如果要在控制要求中加入小車的進出數量，需修改程序。要求學生編寫程序，并利用仿真軟件去驗證，通過總結擴展提高學生的編程能力[4]。

3 結束語

在受疫情影響下，很多實踐課程無法在線下正常進行，FX-TRN-BEG-C 仿真教學系統(tǒng)已被初步應用于2021—2022 學年發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)“電氣控制與PLC 技術”的實踐課程中。學生在使用仿真系統(tǒng)進行學習實踐課程時，表現出了很高的學習熱情；學生邊聽邊看邊跟著操作，互動性強、體驗感好；學生可以看到近乎真實的實驗效果，加深對知識的理解。因為教學是在模擬仿真過程中進行的，保證了教學的安全性。學生還可以自主設計實驗，并進行大膽探索式學習，過程中也享受到了探索創(chuàng)造的樂趣，取得了良好的教學效果，對提高“電氣控制與PLC 技術”課程的教學效果具有一定的積極意義。將FX-TRN-BEG-C仿真教學系統(tǒng)應用于線上教學，這也為后疫情時代“電氣控制與PLC 技術”的實驗課程提供了新的探索模式。