目前，很多院校開設(shè)了可編程序控制器控制技術(shù)課程。它是一門理論性、趣味性及實踐性很強的課程，需要搭建PLC實訓(xùn)室，開設(shè)PLC實驗課程，而開設(shè)PLC實驗課需要解決的關(guān)鍵問題是PLC的控制對象。PLC的控制對象可以是實物模型，但它存在成本高、難維護、種類少等不足之處；也可以是用指示燈模擬顯示PLC控制對象的實驗箱，它與實物模型相比成本較低，不過也存在難維護、種類少、結(jié)果觀察不直觀等缺點；應(yīng)用組態(tài)軟件在計算機屏幕上全真模擬PLC的控制對象可以彌補上述不足，它還能以動畫形式演示PLC控制對象的工作過程，具有成本低、免維護、靈活多樣、形象直觀等優(yōu)點。
從教學(xué)意義上說，如果能用計算機全真模擬被控對象，不但可以克服實物模型的缺點，而且可利用有限的設(shè)備及多樣化的程序豐富學(xué)生的實驗課內(nèi)容，增強PLC實驗課的教學(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、功能強大、界面友好和開發(fā)簡潔等優(yōu)點，可用來開發(fā)實驗室仿真PLC控制對象，滿足為學(xué)生開設(shè)實驗課的需要。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
利用“組態(tài)王”軟件設(shè)計PLC仿真控制對象，是指在計算機上運行事先編寫好的“組態(tài)王”應(yīng)用程序，用軟件來代替硬件（被控對象）的工作，借助計算機屏幕觀察控制過程與結(jié)果。仿真PLC控制對象的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機微機配有“組態(tài)王6.5”軟件和三菱PLC編程軟件FXGPWIN，下位機采用三菱FX2N-64MR型的PLC。“組態(tài)王”軟件通過RS232C接口與PLC之間進行通信，并監(jiān)控PLC所有存儲器、控制器及I/O接口的狀態(tài)，以變量值的形式傳輸?shù)接嬎銠C上，供上位機使用、處理。
圖1 仿真實驗的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)的實現(xiàn)
利用“組態(tài)王”軟件設(shè)計的應(yīng)用軟件，可以仿真多種PLC控制對象。仿真的被控對象不僅可以接受多種由PLC發(fā)出的控制信號，如邏輯開關(guān)信號、繼電器控制信號、脈沖信號和各種數(shù)值信號等，還能按照程序的算法以動畫、數(shù)值、文字、標(biāo)尺等形式在計算機屏幕上反映出PLC的控制過程與結(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，如邏輯開關(guān)控制信號、繼電器開關(guān)信號、中斷信號及位置信號等。“組態(tài)王”還能以按鈕、滑動標(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與被控對象（軟件仿真的被控對象）及控制結(jié)果之間的關(guān)系。
要使畫面中各圖素能夠生動、逼真的運動或顯示，在“組態(tài)王”中需定義一些內(nèi)存變量與外部I/O變量進行配合，并通過在其應(yīng)用程序命令語言中書寫程序控制自己的應(yīng)用程序，驅(qū)動畫面，用這種仿真方法開發(fā)PLC仿真控制對象，其優(yōu)點是周期短、費用低、可靠性高，能節(jié)省電力資源，維護要求較低，不會危及人身和設(shè)備安全；同時，其模擬效果逼真，人機界面生動友好，能達到很好的實驗效果。
在實驗教學(xué)中，學(xué)生既可將計算機看作“被控對象”，用PLC對其進行控制；又可在計算機屏幕上以仿真動畫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，強化他們的動手能力；此外，可以增強學(xué)生的參與意識，使之對可編程控制器的理解更加深入，從而達到實驗?zāi)康?，最終提高教學(xué)質(zhì)量。
3 開發(fā)要求
利用仿真模擬技術(shù)開設(shè)PLC實驗課，開發(fā)的仿真PLC被控對象滿足如下要求：
1）組態(tài)仿真畫面一般由2部分構(gòu)成：一是仿真的PLC控制對象；二是仿真操作面板。有時根據(jù)系統(tǒng)控制對象不同，還會有一些報表。
2）“用戶”可以用鼠標(biāo)點擊屏幕上的按鈕，發(fā)出PLC所需要的輸入信號（行程開關(guān)模擬信號、按鈕模擬信號）。PLC接到該信號后，經(jīng)過控制程序（實驗課學(xué)生編寫的PLC控制程序）發(fā)出控制指令。上位機接到控制指令后，控制畫面上仿真控制對象的圖形、動畫、指示燈及機械、顯示等動作，同時在報表中繪出一些曲線，填入一些數(shù)值。
3）接到電源信號后，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仿真控制對象的物理位置和運行方向，可直觀反映PLC程序的運行結(jié)果。
5）仿真PLC控制對象是以畫面形式反映PLC程序執(zhí)行結(jié)果的，故畫面應(yīng)盡可能逼真于模仿實物。
4 開發(fā)實例
以下給出我們開發(fā)的仿真PLC被控對象中的一部分，包括十字路口交通燈、機械手和水位控制系統(tǒng)。這些開發(fā)項目完全可以直接應(yīng)用到PLC教學(xué)實驗中，因篇幅所限，文中未給出PLC的梯形圖程序及組態(tài)設(shè)計過程。
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)南北主干道紅燈點亮?xí)r，東西主干道先點亮綠燈，之后綠燈閃亮，再后點亮黃燈；反之，當(dāng)東西主干道紅燈點亮?xí)r，南北主干道先點亮綠燈，之后綠燈閃亮，再后點亮黃燈。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)在東西向主干道點亮后才允許點亮，然后接5s綠燈閃，其他時間為紅燈；同樣，東西人行道通行綠燈于南北主干道綠燈點亮后才允許點亮，然后接5s綠燈閃，其他時間為紅燈。c．點按“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動作，應(yīng)為一個輸出，所以在表中只占用10個PLC輸出端點。
圖2 十字路口交通燈組態(tài)仿真畫面
畫面中汽車和行人的動作僅與“組態(tài)王”的內(nèi)存變量有關(guān)，可通過在其應(yīng)用程序命令語言中編制程序控制汽車與行人的速度和方向，與PLC的程序無關(guān)。
4.2 機械手仿真系統(tǒng)
1）控制要求。a．系統(tǒng)工作方式分自動、手動2種。b．在自動工作方式下，點按啟動按鈕，機械手向下移動5s，夾緊2s，隨后上升5s，右移10s，下移5s，放松2s，上移10s，完成一個工作周期，回到初始位置.隨后繼續(xù)進行下個周期的運行。如果按下停止按鈕，則本工作周期完成，機械手返回初始位置后停止運行。C．采用手動工作方式，可分別控制各運動部件。
2）PLC輸入輸出表。機械手控制PLC的I/O點分配表如表2所示。輸入端點所接的控制部件除了“自動/手動”開關(guān)為轉(zhuǎn)換開關(guān)以外，其他均為自動復(fù)位點動按鈕。
圖3 機械手組態(tài)仿真手動畫面
4.3 混合液體仿真系統(tǒng)
設(shè)H，T，L為液位傳感器，液面淹沒時為ON；YV1及YV2為進料電磁閥，YV3為排料電磁閥，M為攪拌電動機。
1）控制要求。a．初始狀態(tài)：容器是空的，3個閥門均關(guān)閉（YV1＝Y(jié)V2＝Y(jié)V3＝OFF），液位傳感器輸出觸點斷開（H＝I＝L＝OFF），電機停止（M＝OFF）。b．啟動操作：按一下啟動按鈕SB1，閥門YV1打開（YV1＝ON），液體A流入容器；當(dāng)液面到達I時，I＝ON，使閥門YV1關(guān)閉（YV1＝OFF），閥門YV2打開（YV2＝ON），液體B流入容器；當(dāng)液面到達H時，H＝ON，使閥門YV2關(guān)閉（YV2＝OFF），啟動電機M（M＝ON）開始攪勻；經(jīng)過60s，攪勻后，M停止攪拌（M＝OFF），閥門YV3打開（YV3＝ON），開始放出混合液體；當(dāng)液面低于L時，L由ON變?yōu)镺FF，再過2s后，使閥門YV3關(guān)閉（YV3＝OFF），容器放空，工作結(jié)束。c．停止操作：在工作過程中，按一下停止按鈕，系統(tǒng)立即停止工作。
2）PLC輸入輸出表。混合液體控制PLC的I/O點分配表如表3所示?？刂苹旌弦后wPLC輸入/輸出表如表3所示。在PLC輸入端接一個對攪拌電動機起過載保護作用的熱繼電器常閉觸點。當(dāng)電機發(fā)生過載時，此觸點斷開時系統(tǒng)將停止工作。
表3 混合液體控制PLC的I/O點分配表
3）組態(tài)仿真畫面?；旌弦后w組態(tài)仿真畫面如圖4所示。當(dāng)“組態(tài)王”和PLC通信正常時，點按啟動按鈕，就可在畫面中非常形象直觀地觀察到管道中水的流動、儲液罐中液體的升降和攪拌器的轉(zhuǎn)動，以及水位傳感器接通的情況。另外，在畫面中設(shè)計了液位報警窗口，當(dāng)液位數(shù)值變化異常時將進行報警；還設(shè)計了歷史曲線、實時曲線、數(shù)據(jù)報表畫面，以便對液位進行趨勢分析。由于篇幅所限，此畫面沒有給出。
5 實驗過程
開發(fā)的仿真PLC控制對象畫面中的圖素已經(jīng)建立了動畫連接。“組態(tài)王”與PLC進行通信，已經(jīng)驗證了仿真監(jiān)控畫面運行的正確性，可實現(xiàn)真實PLC控制對象所要求的一切功能。當(dāng)學(xué)生做實驗時，不必為其提供梯形圖，不過可以先通過計算機屏幕為學(xué)生展示開發(fā)好的仿真控制畫面，使學(xué)生對自己設(shè)計的控制系統(tǒng)有感性認識，從而進一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。具體實驗步驟如下：
1）按照每個實驗給出的控制要求和PLC輸入輸出表，畫出PLC原理圖和控制程序流程圖，讓學(xué)生學(xué)會PLC的實際接線和電氣元件的選型及標(biāo)準(zhǔn)畫法，使實驗更接近實際。
2）應(yīng)用三菱PLC編程軟件FXGPWIN在計算機上自編程序?？墒褂貌煌乃惴ê椭噶罹帉懗绦?，但最終要實現(xiàn)系統(tǒng)的相同控制。
3）PLC程序編制完成后，要進行調(diào)試修改。首先，利用PLC編程軟件中的“編譯”命令，檢查PLC程序是否有語法錯誤，如果沒有再將程序下載到PLC中；其次，利用PLC編程軟件中的“監(jiān)控”和“強制”命令，調(diào)試PLC程序。
4）PLC與組態(tài)軟件通信。通過運行仿真畫面，可形象直觀地觀察仿真PLC被控對象的工作情況，由此也可驗證PLC程序正確與否。
6 結(jié) 語
將仿真技術(shù)應(yīng)用于PLC教學(xué)實驗，解決了無控制對象及無法開設(shè)PLC實驗課的問題。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)約大量的實驗經(jīng)費，又能縮短實驗時間，提高實驗的安全性，另外，仿真控件的開發(fā)周期短，開發(fā)后免維護，所以可以開發(fā)多個仿真控件，增強實驗的多樣性，以更好地達到教學(xué)目的。目前，我們已經(jīng)開發(fā)了運料小車、自動售貨機、五層樓電梯、霓虹燈等仿真控件，并編寫了實驗指導(dǎo)書以配合課堂教學(xué)，幫助學(xué)生積累工程現(xiàn)場的經(jīng)驗，使之得到全面綜合的鍛煉。
（轉(zhuǎn)載）
