FX-TRN-BEG-C 仿真系统在实践教学中的应用：以福建水利电力职业技术学院“电气控制与PLC 技术”实践教学为例＊

刘起汉

（福建水利电力职业技术学院电力工程学院，福建 三明 366000）

“电气控制与PLC 技术”是针对电气自动化、电力控制及维护等领域而设计的课程，在当今日益发展的电力工业中，人们需要运用现代控制技术和计算机技术来实现电力负荷的平衡控制，保证电气设备的运行安全与稳定性[1]。通过学习“电气控制与PLC 技术”，学生能够深入了解电力系统自动化控制的原理和方法，具备独立分析和解决电控自动化系统中的问题的能力和技术，为发电厂及电力系统的实际工作提供重要的帮助。

“电气控制与PLC 技术”作为发电厂及电力系统专业的专业基础课程，要求学生结合基础理论知识，具有一定的实践能力。然而，目前高职院校在进行课程教学时，仍存在一定的难题，具体表现在：“电气控制及PLC 技术”面向企业生产，知识点偏向于实际应用且抽象，往往需要结合实际的工程实例进行教学；学生对教师纯理论的课堂容易出现疲倦状态，在课堂上容易走神，久而久之，学生失去了学习这门课程的兴趣；PLC 实验设备一般比较昂贵，应用的场景也比较多，需要很多对应的教学设备来辅助教学，但很多学校资金有限，无力支撑多场景的实验设备，使学生缺乏很多练习机会。

此外，由于电器元件和PLC 设备的工作电压一般在人体安全电压以上，因此应用实际设备教学时，需考虑学生的使用安全问题。考虑到目前的教学现状，在教学中采用FX-TRN-BEG-C 仿真系统，以提高课堂的教学效果[2]。

1 三菱FX-TRN-BEG-C 仿真软件的教学优势

1.1 FX-TRN-BEG-C 仿真软件介绍

FX-TRN-BEG-C 仿真教学系统是一种基于Mitsubishi Electric FX 系列PLC 的仿真软件，可以为学生提供较为真实的PLC 编程环境。FX-TRN-BEG-C 仿真软件画面配置如图1 所示，画面主要包括：用来显示练习指导和操作方法的索引窗口，具有简易操作按钮的远程控制窗口，模拟机械动作的3D 画面仿真，编写PLC 程序的梯形图程序区域，显示输入和输出信号的I/O 映像表，以及具有简易开关和输出灯的操作面板。此外，此软件具有梯形图编辑模块，仿真时无需通过三菱的编程软件GX Developer 编写程序，编程的方式与工程编程软件一致，便于教学[3]。

图1 FX-TRN-BEG-C 仿真软件画面配置图

单击远程控制窗口“梯形图编辑”按钮，在梯形图程序区域编辑设计程序，单击控制窗口中的“PLC写入”按钮，即可完成PLC 程序的上载任务，将程序写入仿真的已在线联机好的FX2N-48MR 可编程控制器，写入之后，便可以通过控制操作界面的按钮和开关，控制程序的开始，仿真驱动机械设备运行，设备的动作情况会在3D 仿真画面显示。以便使用者实际观察整个动作的情况，根据反应的动作进行调试工作。

1.2 FX-TRN-BEG-C 仿真软件的优势

在FX-TRN-BEG-C 仿真教学系统中，学生可以进行虚拟实验，了解PLC 的基本原理和应用方法，并通过实践项目设计提高自己的实践能力和创新精神。学生可以通过系统中的仿真实验来模拟真实的PLC 控制维护与调试，如开关量输入的编程、调试。通过这些仿真实验，学生可以充分了解电气控制的各种情况，学生可以体验实际的电气控制和PLC 技术操作，模拟各种实际情况，并在过程中学会寻找解决问题的方法。通过仿真操作，学生不仅能够掌握基本的电气控制理论知识和PLC 编程技能，还可以学会利用PLC 编程进行控制系统的设计、调试和维修。

在仿真实验中，学生可以接触到各种实际的操作场景，例如利用PLC 控制工业设备和生产线。学生可以通过仿真实验学习如何编制PLC 程序，以及如何运用PLC 完成开关量控制工作。此外，学生还可以通过仿真实验，对PLC 控制的各种情况下错误情况进行分析和解决，以进一步加深对PLC 技术的掌握。因此，FX-TRN-BEG-C 仿真教学系统是一种非常有效的PLC仿真实训工具，可以帮助学生掌握PLC 的基本原理和应用技能，并为他们未来的工作打下坚实的基础。

同时，FX-TRN-BEG-C 仿真教学系统还具有如下优势：可以有效降低实验教学成本，不需要购买真实的实验设备，也无需学生到实验室学习；教学资源可共享，“云实验”能够适用于很多学校、机构，不局限于地域范围内的学习；仿真实验也具有时间灵活、操作简单等优点，可以根据学生的实际需求和时间计划进行安排，用最短的时间让学生掌握最多的技能。

2 FX-TRN-BEG-C 仿真教学示例

为了提高实验教学效果，与传统教学不同，教师不再简单地演示操作过程，而是通过引入简单项目的方法，从简到繁，循序渐进，让学生充分理解控制要求后，思考如何用所学的“电气控制与PLC 技术”来解决问题，利用仿真教学系统，完成教师布置的任务，通过仿真演示结果分析调试，不断完善控制要求。以福建水利电力职业技术学院发电厂及电力系统专业“电气控制与PLC 技术”课程中的实践教学为例，选择车库自动门作为教学示例演示。

2.1 分析仿真项目要求

教师分配项目提出任务要求，引导学生进行项目学习。启动 FX-TRN-BEG-C 仿真软件，打开如图2的所示的“F-1.自动门操作”模块，要求学生在实验报告中记录将观察到的硬件。该项目的硬件组成包括：FX2N-48MR 可编程控制器（已在线联机好），输入部分有入/出口传感器、卷帘门上/下限位开关，输出部分有卷帘门上升/下降执行机构、指示灯、蜂鸣器。这些硬件都与实际设计相符合，便于学生结合生活实际学习课程内容。

图2 自动门操作模块画面配置图

要求学生分析控制要求，自动门控制过程如下：当小车前进，入口传感器检测到小车时，车库的卷帘门上升，卷帘门达到上限时灯亮起；当车库出口传感器检测到有车并且车库入口长达60 s 时，蜂鸣器响起提醒卷帘门下降，门达到下限完成一次工作，等待进入下一个循环工作。

2.2 分配I/O 地址

传感器将输入信号传到可编程控制器对应的输入端口地址，可编程控制器接收信号并依据用户程序（梯形图程序）执行，并将执行结果传输到对应的输出端口地址，输出连接的电器元件执行动作。这部分教学内容要求学生具有完整的知识体系，结合教材理论教学后，可帮助学生查缺补漏。要求学生分析控制要求，明确每个元件的功能，并将仿真画面中的端口元件，分配I/O 地址并记录在实验报告中。

分析该自动控制门系统有4 个输入信号、4 个输出信号，对应的端口地址及功能如表1 所示。

表1 I/O 分配表

2.3 系统程序设计

可编程控制系统根据用户程序执行，要求学生规范编写用户程序，这部分是教学的重点与难点，此外，要引导学生应用规范的编程思想。自动控制门的工作流程是根据内部状态和时间的顺序，按预先规定的顺序自动有序进行工作，是典型的顺序控制，可以引导学生利用所学的状态转移思想进行编程。在教学中引导学生，按照工作流程和要求，将一个工作周期划分为若干阶段，并明确每一阶段的输入变化条件及输出的执行动作，完成该项目的顺序功能图。

编写自动门的顺序功能如图3 所示。三菱仿真软件FX-TRN-BEG-C 只支持梯形图写入，因此需要把图3 的顺序功能图转化成梯形图。

图3 顺序功能图

2.4 系统程序调试

传统的调试，需要设备接线连机，需要花费过多的教学时间，通过FX-TRN-BEG-C 仿真系统可直接调试，并以3D 仿真动画的形式非常直观地模拟现场调试可能出现的问题。整个调试在软件中完成，与传统的现场调试教学相比，降低了教学成本且相对安全；整个教学环节紧凑完整，仿真的结果通过3D 仿真动画的形式直观展示出来，大大增加了学生的学习兴趣，提高了学生对课堂的专注度。教师在这部分教学当中更多的是引导学生发现问题，独立完成项目调试，从而达到提升教学效果的目的。

模拟现场调试过程，单击界面左侧的“PLC 写入”按钮，将转化好的梯形图上载到模拟可编程控制器当中，并启动仿真。鼠标长按3D 仿真画面上的“车前进”按钮，蓝色小车前进，入口传感器X2 检测到小车时，执行机构Y0 动作卷帘门上升，传感器X1 检测到卷帘门达到上限，Y0 停止动作，并且指示灯亮Y6 起；当车库出口传感器检测到有车并且车库入口长达60 s时，蜂鸣器Y7 响起同时执行机构Y1 动作卷帘门下降，门达到下限完成一次工作，等待进入下一个循环工作。此外，在仿真过程中，也可以观察输入输出指示灯，分析动作情况。如果展示的动画流程不一致，则要求学生分析问题调试程序，直到学生完任务要求。

2.5 总结与扩展

总结该项目的设计流程：分析控制要求，分配I/O表，程序设计，调试程序。其中程序设计采用的是顺序控制设计法，在设计顺序功能图时，将整个工作过程分解成每一个阶段，给每个阶段分配一个辅助继电器，明确每个辅助继电器的动作；然后确定每个辅助继电器的转移条件就完成了顺序功能图设计，将顺序功能图转化为梯形图即可。

总结后布置作业：如果要在控制要求中加入小车的进出数量，需修改程序。要求学生编写程序，并利用仿真软件去验证，通过总结扩展提高学生的编程能力[4]。

3 结束语

在受疫情影响下，很多实践课程无法在线下正常进行，FX-TRN-BEG-C 仿真教学系统已被初步应用于2021—2022 学年发电厂及电力系统专业“电气控制与PLC 技术”的实践课程中。学生在使用仿真系统进行学习实践课程时，表现出了很高的学习热情；学生边听边看边跟着操作，互动性强、体验感好；学生可以看到近乎真实的实验效果，加深对知识的理解。因为教学是在模拟仿真过程中进行的，保证了教学的安全性。学生还可以自主设计实验，并进行大胆探索式学习，过程中也享受到了探索创造的乐趣，取得了良好的教学效果，对提高“电气控制与PLC 技术”课程的教学效果具有一定的积极意义。将FX-TRN-BEG-C仿真教学系统应用于线上教学，这也为后疫情时代“电气控制与PLC 技术”的实验课程提供了新的探索模式。