基于組態(tài)軟件的PLC仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

申海

摘要：在目前的PLC實驗教學(xué)中，實驗箱和實訓(xùn)臺等實驗設(shè)備的硬件連線已經(jīng)搭接完成，學(xué)生每次實驗只需完成固定的實驗內(nèi)容，編寫固定的程序即可。此類實驗對學(xué)生在PLC性能及相關(guān)應(yīng)用的理解上有很大影響，且不能很好地滿足教學(xué)靈活性要求。針對此現(xiàn)狀，本論文提出將組態(tài)軟件應(yīng)用到PLC教學(xué)中，即基于組態(tài)軟件，在計算機上實現(xiàn)PLC控制對象的全真模擬，并通過PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)對模擬被控對象的控制。經(jīng)過教學(xué)實踐，此仿真方法不僅可行，且為PLC教學(xué)提供了極大的靈活性，有效提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件；仿真；PLC控制系統(tǒng)

中圖分類號：G642.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0265-02

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在鋼鐵、石化、機械制造、電子信息諸如此類的工業(yè)生產(chǎn)中，可編程邏輯控制器被大量應(yīng)用且已經(jīng)成為不可缺少的重要部分。最初，可編程邏輯控制器只是簡單應(yīng)用在開關(guān)量的邏輯控制中，但伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，它的應(yīng)用也慢慢覆蓋了大多領(lǐng)域。如今，PLC可以實現(xiàn)開關(guān)量控制、模擬量和數(shù)字量的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)等功能。PLC的廣泛應(yīng)用也使得PLC的教學(xué)更加有意義，也更加重要。

當(dāng)前，PLC實驗教學(xué)面臨著實訓(xùn)臺和實驗設(shè)備體積過大、價格高昂、實驗項目不靈活等各種問題，使得大部分高校都不能真正滿足PLC教學(xué)的要求。目前，高校PLC教學(xué)只能保證基礎(chǔ)實驗教學(xué)，缺少相關(guān)的綜合設(shè)計，這在很大程度上嚴(yán)重制約了學(xué)生對PLC的學(xué)習(xí)和運用需要。

為了解決以上相關(guān)問題，高校教學(xué)可運用虛擬實驗系統(tǒng)，即利用計算機軟件設(shè)計若干控制對象的軟模型來模擬仿真工業(yè)控制系統(tǒng)，然后通過PLC控制程序進行控制。這種一體機的仿真操作方法會使PLC的教學(xué)更具備靈活性、生動性，同時也更加容易被學(xué)生理解并在將來拓展應(yīng)用。同時，也解決了實驗設(shè)備體積過大不易實驗、價格高昂等問題，節(jié)省了人力物力。

本論文提出的仿真教學(xué)系統(tǒng)，借助計算機來確定實際工程的工藝流程和監(jiān)控界面，通過與編程軟件建立通訊連接，然后發(fā)送相應(yīng)的操作指令，即可在本機觀測到工作狀態(tài)和控制情況，由此理解所學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，以及接下來需要操作的部分。

本論文提出的仿真系統(tǒng)可完成傳統(tǒng)實驗箱和實訓(xùn)臺所包含的所有實驗項目，大大提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，更為學(xué)生今后的就業(yè)提供了夯實的知識和實踐基礎(chǔ)。

一、PLC仿真系統(tǒng)設(shè)計方法

利用組態(tài)軟件設(shè)計PLC實驗裝置的虛擬仿真控制對象就是在計算機上運行實驗之前預(yù)先編寫完成的組態(tài)應(yīng)用程序，利用軟件替代硬件（被控對象）所進行的工作，并通過在計算機的顯示屏幕以動畫、數(shù)值、文字等形式所表現(xiàn)出來的PLC控制的過程與結(jié)果。通過計算機模擬被控對象，可以很好地解決PLC實驗教學(xué)中，學(xué)生對被控過程理解程度不深，如何完成整個控制過程的茫然性等問題。

在本論文提出的仿真系統(tǒng)中，主要通過四個軟件實現(xiàn)仿真功能：組態(tài)王、NettoPlcsim、PLC編程軟件以及PLCSIM。其中，組態(tài)王軟件為上位機軟件，完成被控對象模型的仿真。PLC編程軟件位于下位機，用于編寫控制程序。NettoPlcsim可在上位機與下位機之間建立連接，從而實現(xiàn)組態(tài)軟件上位機與PLC下位機之間通訊。PLCSIM是模擬可編程控制器硬件的仿真軟件，它可以與PLC編程軟件集成，從而實現(xiàn)無硬件狀態(tài)的仿真模擬。

二、PLC仿真系統(tǒng)使用方法

利用本論文提出的仿真方法可以完成PLC教學(xué)的所有基本指令，包括位指令、定時器指令、計數(shù)器指令、傳送與比較指令、移位與轉(zhuǎn)換指令、數(shù)學(xué)運算指令及其他指令。本論文通過最基本的位邏輯指令詳細說明此仿真系統(tǒng)的使用方法。

位邏輯指令是PLC教學(xué)中的最基本的指令，主要包括常開、常閉、置位與復(fù)位和邊沿檢測等指令。教學(xué)方法為采用電動機實驗來完成上述指令的學(xué)習(xí)，實驗內(nèi)容為利用PLC實現(xiàn)電動機點動，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)和順序啟動等控制。在仿真方法中實現(xiàn)此電動機實驗步驟如下：首先，在組態(tài)王軟件中設(shè)計相應(yīng)的監(jiān)控界面，包括相應(yīng)的電動機，分別表示電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的按鈕；然后，在PLC編程軟件中設(shè)計控制電動機正反轉(zhuǎn)的控制程序；第三，按照仿真系統(tǒng)的連接方法，使PLC能夠和組態(tài)王之間進行正常通信；最后，運行組態(tài)王的監(jiān)控界面。當(dāng)按下正轉(zhuǎn)按鈕時，電機進行正轉(zhuǎn)操作。當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鈕時，電機進行反轉(zhuǎn)操作。一旦按下停止按鈕，電動機停止工作。

三、綜合實驗開發(fā)實例

利用組態(tài)軟件的PLC仿真教學(xué)除了可以完成基礎(chǔ)實驗，還可以完成很多綜合性實驗，如LED數(shù)碼顯示、天塔之光、裝配流水線、運料小車、自動配料/四節(jié)傳送帶、機械手，十字路口交通燈控制、郵件分揀系統(tǒng)、自動售貨機控制、四層電梯控制和舞臺燈光模擬控制等實驗。

1.濃度檢測實驗。濃度檢測工作在工業(yè)中經(jīng)常應(yīng)用，如對于裝修中的甲醇含量、空氣中的粉塵濃度、酒精濃度以及其他氣體物質(zhì)的濃度，通常需要對其進行濃度測量，以確保濃度含量值在正常值范圍內(nèi)，進而確保生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全。

對于此類實際工程，可按照工程要求設(shè)計如下仿真系統(tǒng)：在組態(tài)界面添加三個燈，分別表示低濃度、正常濃度和高濃度，再添加一個指示燈和一個表示濃度含量的容器。編寫好控制程序后，可按照連接步驟進行仿真實驗。利用此監(jiān)控界面實現(xiàn)功能如下：當(dāng)濃度是0—35時為低濃度，低濃度指示燈變綠，指示燈常亮；當(dāng)濃度為36—70時，正常濃度指示燈燈變綠，指示燈以0.6Hz的頻率閃爍；當(dāng)濃度為71—100時，高濃度指示燈變綠，指示燈以1Hz的頻率閃爍。

2.電動機綜合實驗。在工業(yè)控制中經(jīng)常需要使用電動機，因此高校PLC實驗教學(xué)也都十分重視電動機實驗。但在傳統(tǒng)實驗中，需要實驗者在體積很大的電動機控制箱前按照實驗工作接線圖進行連線，操作煩瑣，一旦部分連線錯誤很難查找出出錯的部分，進而影響實驗效率?；蚴枪袒膶嶒炏渲荒茏寣W(xué)生完成單純的電動機正反轉(zhuǎn)等簡單實驗。因此，高校教學(xué)可利用本論文的仿真方法來實現(xiàn)電動機的靈活性實驗教學(xué)，如多臺電動機順序啟停和定時控制、電動機往返運動和電動機調(diào)速等復(fù)雜實驗。

四、結(jié)束語

通過以上介紹可得出，利用本論文提出的組態(tài)軟件模擬控制對象的實驗教學(xué)方法，可輕松簡單地完成很多傳統(tǒng)實驗難以實現(xiàn)的操作，大大節(jié)省了人力物力，并可輕松引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)PLC，也會讓學(xué)生更加深刻地理解和體會PLC的指令及其應(yīng)用方法。另外，在本論文提出的PLC仿真實驗中有大量生動的工程圖片，可以快速地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。通過將此PLC仿真教學(xué)應(yīng)用于真正的實踐教學(xué)中，教學(xué)效果非常明顯，教學(xué)質(zhì)量大幅度提高，教學(xué)內(nèi)容也隨之增加?？傊琍LC仿真教學(xué)模式可增強PLC實驗教學(xué)的效率，讓實驗更具靈活性，更能為學(xué)生打下良好的PLC知識和工程實踐基礎(chǔ)。

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Design and Development of PLC Simulation Teaching System Based on Configuration Software

SHEN Hai

（School of Physical Science and Technology，Shenyang Normal University，Shenyang，Liaoning 110034，China）

Abstract：In the PLC experimental teaching in the current experimental box and training platform of experimental equipment hardware has lap completed，each student is only required to complete the experiment experimental content fixed，written procedures can be fixed. This kind of experiment for the students in the application of PLC and related properties have great influence on the understanding，and not well to meet the teaching requirements. For the flexibility of this present situation，this thesis puts forward the application of configuration software to the PLC teaching，which is based on PLC configuration software，realizing integral control object in computer simulation，simulation and control of the object through the PLC control program. Through the teaching practice，this simulation The method is not only feasible，but also provides a great flexibility for PLC teaching，which effectively improves the teaching quality and teaching efficiency.

Key words：configuration software；simulation；PLC control system