目前，很多院校開(kāi)設(shè)了可編程序控制器控制技術(shù)課程。它是一門(mén)理論性、趣味性及實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要搭建PLC實(shí)訓(xùn)室，開(kāi)設(shè)PLC實(shí)驗(yàn)課程，而開(kāi)設(shè)PLC實(shí)驗(yàn)課需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是PLC的控制對(duì)象。PLC的控制對(duì)象可以是實(shí)物模型，但它存在成本高、難維護(hù)、種類少等不足之處；也可以是用指示燈模擬顯示PLC控制對(duì)象的實(shí)驗(yàn)箱，它與實(shí)物模型相比成本較低，不過(guò)也存在難維護(hù)、種類少、結(jié)果觀察不直觀等缺點(diǎn)；應(yīng)用組態(tài)軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上全真模擬PLC的控制對(duì)象可以彌補(bǔ)上述不足，它還能以動(dòng)畫(huà)形式演示PLC控制對(duì)象的工作過(guò)程，具有成本低、免維護(hù)、靈活多樣、形象直觀等優(yōu)點(diǎn)。

從教學(xué)意義上說(shuō)，如果能用計(jì)算機(jī)全真模擬被控對(duì)象，不但可以克服實(shí)物模型的缺點(diǎn)，而且可利用有限的設(shè)備及多樣化的程序豐富學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，增強(qiáng)PLC實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。北京亞控公司推出的“組態(tài)王”軟件，具有可靠性高、通信快速、功能強(qiáng)大、界面友好和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，可用來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室仿真PLC控制對(duì)象，滿足為學(xué)生開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課的需要。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

利用“組態(tài)王”軟件設(shè)計(jì)PLC仿真控制對(duì)象，是指在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行事先編寫(xiě)好的“組態(tài)王”應(yīng)用程序，用軟件來(lái)代替硬件（被控對(duì)象）的工作，借助計(jì)算機(jī)屏幕觀察控制過(guò)程與結(jié)果。仿真PLC控制對(duì)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)微機(jī)配有“組態(tài)王6.5”軟件和三菱PLC編程軟件FXGPWIN，下位機(jī)采用三菱FX2N-64MR型的PLC?！敖M態(tài)王”軟件通過(guò)RS232C接口與PLC之間進(jìn)行通信，并監(jiān)控PLC所有存儲(chǔ)器、控制器及I/O接口的狀態(tài)，以變量值的形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，供上位機(jī)使用、處理。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

利用“組態(tài)王”軟件設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件，可以仿真多種PLC控制對(duì)象。仿真的被控對(duì)象不僅可以接受多種由PLC發(fā)出的控制信號(hào)，如邏輯開(kāi)關(guān)信號(hào)、繼電器控制信號(hào)、脈沖信號(hào)和各種數(shù)值信號(hào)等，還能按照程序的算法以動(dòng)畫(huà)、數(shù)值、文字、標(biāo)尺等形式在計(jì)算機(jī)屏幕上反映出PLC的控制過(guò)程與結(jié)果，可以直接從屏幕上觀察PLC的控制結(jié)果正確與否；“組態(tài)王”亦可向PLC發(fā)出各種命令信號(hào)，如邏輯開(kāi)關(guān)控制信號(hào)、繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)、中斷信號(hào)及位置信號(hào)等?！敖M態(tài)王”還能以按鈕、滑動(dòng)標(biāo)尺、數(shù)值輸入及單選框、復(fù)選框等形式向PLC發(fā)出各種命令和輸出各種參數(shù)，以配合PLC的控制，反映PLC與被控對(duì)象（軟件仿真的被控對(duì)象）及控制結(jié)果之間的關(guān)系。

要使畫(huà)面中各圖素能夠生動(dòng)、逼真的運(yùn)動(dòng)或顯示，在“組態(tài)王”中需定義一些內(nèi)存變量與外部I/O變量進(jìn)行配合，并通過(guò)在其應(yīng)用程序命令語(yǔ)言中書(shū)寫(xiě)程序控制自己的應(yīng)用程序，驅(qū)動(dòng)畫(huà)面，用這種仿真方法開(kāi)發(fā)PLC仿真控制對(duì)象，其優(yōu)點(diǎn)是周期短、費(fèi)用低、可靠性高，能節(jié)省電力資源，維護(hù)要求較低，不會(huì)危及人身和設(shè)備安全；同時(shí)，其模擬效果逼真，人機(jī)界面生動(dòng)友好，能達(dá)到很好的實(shí)驗(yàn)效果。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生既可將計(jì)算機(jī)看作“被控對(duì)象”，用PLC對(duì)其進(jìn)行控制；又可在計(jì)算機(jī)屏幕上以仿真動(dòng)畫(huà)形式直觀看到程序的執(zhí)行結(jié)果，從而極大地提高學(xué)生的興趣，強(qiáng)化他們的動(dòng)手能力；此外，可以增強(qiáng)學(xué)生的參與意識(shí)，使之對(duì)可編程控制器的理解更加深入，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，最終提高教學(xué)質(zhì)量。

3 開(kāi)發(fā)要求

利用仿真模擬技術(shù)開(kāi)設(shè)PLC實(shí)驗(yàn)課，開(kāi)發(fā)的仿真PLC被控對(duì)象滿足如下要求：

1）組態(tài)仿真畫(huà)面一般由2部分構(gòu)成：一是仿真的PLC控制對(duì)象；二是仿真操作面板。有時(shí)根據(jù)系統(tǒng)控制對(duì)象不同，還會(huì)有一些報(bào)表。
2）“用戶”可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上的按鈕，發(fā)出PLC所需要的輸入信號(hào)（行程開(kāi)關(guān)模擬信號(hào)、按鈕模擬信號(hào)）。PLC接到該信號(hào)后，經(jīng)過(guò)控制程序（實(shí)驗(yàn)課學(xué)生編寫(xiě)的PLC控制程序）發(fā)出控制指令。上位機(jī)接到控制指令后，控制畫(huà)面上仿真控制對(duì)象的圖形、動(dòng)畫(huà)、指示燈及機(jī)械、顯示等動(dòng)作，同時(shí)在報(bào)表中繪出一些曲線，填入一些數(shù)值。
3）接到電源信號(hào)后，模擬電源指示燈亮，顯示紅色，以示“組態(tài)王”與PLC通信正常。
4）仿真界面直接顯示PLC仿真控制對(duì)象的物理位置和運(yùn)行方向，可直觀反映PLC程序的運(yùn)行結(jié)果。
5）仿真PLC控制對(duì)象是以畫(huà)面形式反映PLC程序執(zhí)行結(jié)果的，故畫(huà)面應(yīng)盡可能逼真于模仿實(shí)物。

4 開(kāi)發(fā)實(shí)例

以下給出我們開(kāi)發(fā)的仿真PLC被控對(duì)象中的一部分，包括十字路口交通燈、機(jī)械手和水位控制系統(tǒng)。這些開(kāi)發(fā)項(xiàng)目完全可以直接應(yīng)用到PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，因篇幅所限，文中未給出PLC的梯形圖程序及組態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程。

4.1 十字路口交通燈仿真系統(tǒng)

1）控制要求。a．南北向和東西向主干道均設(shè)綠燈30s，綠燈閃亮3s，黃燈2s和紅燈30s。當(dāng)南北主干道紅燈點(diǎn)亮?xí)r，東西主干道先點(diǎn)亮綠燈，之后綠燈閃亮，再后點(diǎn)亮黃燈；反之，當(dāng)東西主干道紅燈點(diǎn)亮?xí)r，南北主干道先點(diǎn)亮綠燈，之后綠燈閃亮，再后點(diǎn)亮黃燈。b．南北和東西向人行道均設(shè)有通行綠燈和禁止紅燈。南北人行道通行綠燈應(yīng)在東西向主干道點(diǎn)亮后才允許點(diǎn)亮，然后接5s綠燈閃，其他時(shí)間為紅燈；同樣，東西人行道通行綠燈于南北主干道綠燈點(diǎn)亮后才允許點(diǎn)亮，然后接5s綠燈閃，其他時(shí)間為紅燈。c．點(diǎn)按“停止”按鈕，工作立刻停止。

2）PLC輸入輸出表。交通燈控制PLC的I/O點(diǎn)分配表如表1所示。盡管十字路口有12只紅、黃、綠燈，人行道有16只紅、綠燈，但是同一方向的同色燈同時(shí)動(dòng)作，應(yīng)為一個(gè)輸出，所以在表中只占用10個(gè)PLC輸出端點(diǎn)。

圖2 十字路口交通燈組態(tài)仿真畫(huà)面

畫(huà)面中汽車和行人的動(dòng)作僅與“組態(tài)王”的內(nèi)存變量有關(guān)，可通過(guò)在其應(yīng)用程序命令語(yǔ)言中編制程序控制汽車與行人的速度和方向，與PLC的程序無(wú)關(guān)。
4.2 機(jī)械手仿真系統(tǒng)

1）控制要求。a．系統(tǒng)工作方式分自動(dòng)、手動(dòng)2種。b．在自動(dòng)工作方式下，點(diǎn)按啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手向下移動(dòng)5s，夾緊2s，隨后上升5s，右移10s，下移5s，放松2s，上移10s，完成一個(gè)工作周期，回到初始位置.隨后繼續(xù)進(jìn)行下個(gè)周期的運(yùn)行。如果按下停止按鈕，則本工作周期完成，機(jī)械手返回初始位置后停止運(yùn)行。C．采用手動(dòng)工作方式，可分別控制各運(yùn)動(dòng)部件。

2）PLC輸入輸出表。機(jī)械手控制PLC的I/O點(diǎn)分配表如表2所示。輸入端點(diǎn)所接的控制部件除了“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)以外，其他均為自動(dòng)復(fù)位點(diǎn)動(dòng)按鈕。

圖3 機(jī)械手組態(tài)仿真手動(dòng)畫(huà)面

4.3 混合液體仿真系統(tǒng)

設(shè)H，T，L為液位傳感器，液面淹沒(méi)時(shí)為ON；YV1及YV2為進(jìn)料電磁閥，YV3為排料電磁閥，M為攪拌電動(dòng)機(jī)。

1）控制要求。a．初始狀態(tài)：容器是空的，3個(gè)閥門(mén)均關(guān)閉（YV1＝Y(jié)V2＝Y(jié)V3＝OFF），液位傳感器輸出觸點(diǎn)斷開(kāi)（H＝I＝L＝OFF），電機(jī)停止（M＝OFF）。b．啟動(dòng)操作：按一下啟動(dòng)按鈕SB1，閥門(mén)YV1打開(kāi)（YV1＝ON），液體A流入容器；當(dāng)液面到達(dá)I時(shí)，I＝ON，使閥門(mén)YV1關(guān)閉（YV1＝OFF），閥門(mén)YV2打開(kāi)（YV2＝ON），液體B流入容器；當(dāng)液面到達(dá)H時(shí)，H＝ON，使閥門(mén)YV2關(guān)閉（YV2＝OFF），啟動(dòng)電機(jī)M（M＝ON）開(kāi)始攪勻；經(jīng)過(guò)60s，攪勻后，M停止攪拌（M＝OFF），閥門(mén)YV3打開(kāi)（YV3＝ON），開(kāi)始放出混合液體；當(dāng)液面低于L時(shí)，L由ON變?yōu)镺FF，再過(guò)2s后，使閥門(mén)YV3關(guān)閉（YV3＝OFF），容器放空，工作結(jié)束。c．停止操作：在工作過(guò)程中，按一下停止按鈕，系統(tǒng)立即停止工作。

2）PLC輸入輸出表?；旌弦后w控制PLC的I/O點(diǎn)分配表如表3所示。控制混合液體PLC輸入/輸出表如表3所示。在PLC輸入端接一個(gè)對(duì)攪拌電動(dòng)機(jī)起過(guò)載保護(hù)作用的熱繼電器常閉觸點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)發(fā)生過(guò)載時(shí)，此觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)系統(tǒng)將停止工作。

表3 混合液體控制PLC的I/O點(diǎn)分配表

3）組態(tài)仿真畫(huà)面?；旌弦后w組態(tài)仿真畫(huà)面如圖4所示。當(dāng)“組態(tài)王”和PLC通信正常時(shí)，點(diǎn)按啟動(dòng)按鈕，就可在畫(huà)面中非常形象直觀地觀察到管道中水的流動(dòng)、儲(chǔ)液罐中液體的升降和攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及水位傳感器接通的情況。另外，在畫(huà)面中設(shè)計(jì)了液位報(bào)警窗口，當(dāng)液位數(shù)值變化異常時(shí)將進(jìn)行報(bào)警；還設(shè)計(jì)了歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表畫(huà)面，以便對(duì)液位進(jìn)行趨勢(shì)分析。由于篇幅所限，此畫(huà)面沒(méi)有給出。

5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

開(kāi)發(fā)的仿真PLC控制對(duì)象畫(huà)面中的圖素已經(jīng)建立了動(dòng)畫(huà)連接。“組態(tài)王”與PLC進(jìn)行通信，已經(jīng)驗(yàn)證了仿真監(jiān)控畫(huà)面運(yùn)行的正確性，可實(shí)現(xiàn)真實(shí)PLC控制對(duì)象所要求的一切功能。當(dāng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，不必為其提供梯形圖，不過(guò)可以先通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕為學(xué)生展示開(kāi)發(fā)好的仿真控制畫(huà)面，使學(xué)生對(duì)自己設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有感性認(rèn)識(shí)，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）按照每個(gè)實(shí)驗(yàn)給出的控制要求和PLC輸入輸出表，畫(huà)出PLC原理圖和控制程序流程圖，讓學(xué)生學(xué)會(huì)PLC的實(shí)際接線和電氣元件的選型及標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)法，使實(shí)驗(yàn)更接近實(shí)際。
2）應(yīng)用三菱PLC編程軟件FXGPWIN在計(jì)算機(jī)上自編程序。可使用不同的算法和指令編寫(xiě)程序，但最終要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相同控制。
3）PLC程序編制完成后，要進(jìn)行調(diào)試修改。首先，利用PLC編程軟件中的“編譯”命令，檢查PLC程序是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤，如果沒(méi)有再將程序下載到PLC中；其次，利用PLC編程軟件中的“監(jiān)控”和“強(qiáng)制”命令，調(diào)試PLC程序。
4）PLC與組態(tài)軟件通信。通過(guò)運(yùn)行仿真畫(huà)面，可形象直觀地觀察仿真PLC被控對(duì)象的工作情況，由此也可驗(yàn)證PLC程序正確與否。

6 結(jié) 語(yǔ)

將仿真技術(shù)應(yīng)用于PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)，解決了無(wú)控制對(duì)象及無(wú)法開(kāi)設(shè)PLC實(shí)驗(yàn)課的問(wèn)題。此外，仿真方法還可在教師的科研中發(fā)揮巨大作用，既能節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，又能縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的安全性，另外，仿真控件的開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)發(fā)后免維護(hù)，所以可以開(kāi)發(fā)多個(gè)仿真控件，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的多樣性，以更好地達(dá)到教學(xué)目的。目前，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了運(yùn)料小車、自動(dòng)售貨機(jī)、五層樓電梯、霓虹燈等仿真控件，并編寫(xiě)了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)以配合課堂教學(xué)，幫助學(xué)生積累工程現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，使之得到全面綜合的鍛煉。

（轉(zhuǎn)載）