建设面向船员教育的PLC实验室

1、前言
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（可编程控制器）不仅用逻辑编程取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理的功能，真正成为一种计算机工业控制装置。PLC的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，所以在工业发达国家，PLC在其自动化设备中的比例占首位。近年来，我国的PLC技术也从初期的引进、消化走向吸收和推广应用阶段，并且在许多工业领域取得了良好的经济效益和社会效益。面对这种形势，高等院校为更好地适应于我国经济、科学技术和社会的发展，在相关院系中普及PLC技术教育是十分必要的。对航海院校而言，随着船舶自动化程度的日益提高，PLC技术在主机、辅机和电站等设备中逐步推广应用，这就要求航海教育必须与之相适应，特别是轮机工程专业必须强化PLC技术的教育。同时为了适应IMO（国际海事组织）STCW 78/95公约的要求，除了在校轮机本、专科学生的《轮机自动化》课程中包含PLC原理与应用外，海事局委托的轮补电船员培训班中也要求开设《PLC原理与应用》课程，并辅以一定量的实验。鉴于此，建立面向船员教育的PLC实验室成了刻不容缓的任务。

2、建立PLC实验室的总体方案
实验室是学科建设和发展的基础，是教学与科研的基地，是衡量高等院校办学水平和科研水平的重要标志，所以我们PLC实验室建设的目标是建成为能适应现代船员教育、符合STCW 78/95 公约要求的、高标准的开放型实验室。实验室由两大部分构成：
1）、基础实验部分 —— 制作一批以PLC为核心的标准实验板，输入端由若干个开关和传感器组成，输出端为一些指示灯、继电器和熔断管。因PLC实验不同于一般电工电子实验，它需自己编程，输入PLC调试通过，动手性强，但不成功率较高，有了标准实验板，安全性、直观性提高，教师可以放手让学生大胆实践，让他们自己选题、自接线路、自己调试，指导教师在整个过程中的作用只是引导、检查、把关和解决学生疑难问题。
2）、科研开发部分 —— 为教师提供科研活动、技术开发的场所。充分发挥专业教师在技术上的优势，为航运企业及相关部门解决一些PLC应用上的问题，进行模拟试验或做些产品开发。这样既回报了社会，又为学校筹集教学和科研经费提供了条件，与此同时还能提高教师的科研水平和教学水平。主要设备有计算机、专用编程软件、数据连线和若干套PLC等。
3）、PLC实验室的建设
99年底我院购买了三菱（MITSUBISHI）公司FX2N-48MR微型可编程控制器12套和FX-2P便携式编程器1套，利用这些设备我们设计制作了十块实验板，外壳用金属薄板弯制成型并作静电喷塑处理（蛋青色），居中是PLC（便于看请PLC上的各输入输出端状态指示LED），左上角为~220V电源输入、开关、电源指示灯、DC24V接线柱和保险管，考虑到学生操作的方便，我们把输入端控制开关和传感器接线柱布置在实验板的下半部分，而把输出端继电器、交流接触器、接线柱和指示灯布置在上半部分（该PLC输入端X0~X27在上面、输出端Y0~Y27在下面）。由于该PLC的输出电路无内置保险，为了防止负载短路等故障烧断PLC的基板配线，每4个输出点（也就是一个COM点）设置一个5A保险。该PLC性能优良，有继电器、三端双向可控硅开关元件和晶体管三种输出类型，可以接多种输出入扩展设备，而且使用简便指令就能完成不少实验。为了使实验教学的效果更理想，还做了几块示教板供演示用。从2000年3月开始我们按照新编的实验指导书开设了《PLC基本组成及输入输出接口的认识》、《灯循环点亮和延时点亮PLC编程》、《PLC在交流电机控制系统中应用的演示性实操》三个基础实验。考虑到目前PLC在船舶上的广泛应用，如主机遥控、船舶报警监视、燃油锅炉自动控制等系统中都有应用，同时也是为了适应现代条件下船员教育的新特点，我们以PLC为核心逐步研制几种用于教学的船用设备模拟器，下面就以锅炉控制模拟器为例作一简要介绍：
在柴油机动力装置中所采用的锅炉都称为辅锅炉，由于船舶机舱中这类辅助设备很多，因此辅助设备的自动控制是实现“无人值班”机舱的必要条件之一。实现辅锅炉的自动控制就首先要了解其燃烧时序控制。
按照锅炉的控制框图我们制定了程序的整体结构，考虑到是模拟器，特别增加故障设置部分，以加强教学功能。我们从思南工控网站下载一个三菱FX2N编程软件，并买了专用数据线，开始着手编写锅炉控制模拟器程序。程序初稿出来后，经过逐段逐句的反复推敲、调试才全部输入PLC作最后的测试，相应的硬件和接线也在同期完成。最终程序由358句、719行构成。例如图2提供的是点火过程部分的一段梯形图。模拟器的形状是落地柜式，外壳是用薄金属板弯制焊接成型并经静电喷塑处理（蛋青色），上半部分为指示灯、蜂鸣器和仪表，中间斜面突出部分是控制面板（分三个部分，见后面说明）。

图3是锅炉控制模拟器的系统示意图，面板主要由燃烧控制、水位控制和故障设置三部分组成，布局比较简洁直观。我院设有锅炉实验室，有一套经过改装的日产旧锅炉供教学使用，但就教学、科研而言，真实设备也有其明显的不足之处，如频繁起动容易损坏、使用费用高和许多故障不能再现等等，模拟器正是弥补了这些缺陷。

4、结束语
PLC实验室建成以来，已有近600人做过实验，教师和学生反映普遍良好，并顺利通过了海事局等管理机构的验收。这对于更好地适应IMO（国际海事组织）STCW 78/95公约的要求，提高宁波大学船员教育和培训管理的质量都有重要的意义。当然，实验室还存在着不足，有待于进一步的改善与发展。我们准备在扩展实验项目、继续开发应用PLC的船舶机舱设备模拟器以及实验器材上增加PLC的品牌和型号这三个方面使PLC实验室更上一层楼。