浅谈PLC虚拟实验室的建设和研究

叶红芳

摘 要：该文是依托PLC校教改课题和实验室建设项目，在分析三种PLC实验系统优缺点基础上，设计与实现了一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟控制对象的PLC虚拟实验室的建设方案，该方案只需要计算机、类PLC和相关软件就能完成PLC控制系统的I/O表分配、电路设计、程序的设计和运行调试等实验内容，是一种高效、价格低廉、训练效果良好的PLC实验系统。

关键词：虚拟实验室 STEP7或Works2软件 类PLC 控制对象

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可编程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作为当今工业自动化三大支柱之一，随着PLC技术的广泛应用，企业迫切需要大量PLC应用技术人才[1]。目前各类高职院校都开设PLC课程，由于该课程是集理论基础知识和实际操作技能于一体，实践操作性很强。在实践教学过程中，需要学生根据各种工业控制对象的工作流程，通过观察对象的动作情况来验证编写的PLC程序是否正确。但由于受到实验设备的价格、体积和实验室管理等各种条件的限制，我们很难在实验室配备较全面的工业控制对象，因而制约了实验项目的数量和质量[2]。

随着虚拟技术和计算机仿真技术的快速发展，我们可以充分利用计算机软件构造各种模拟实际工业环境的虚拟实验对象，这样的实验内容不受实验设备价格和管理的限制，教师可以方便增加和更新实验项目，而且学生也可以不受时间和场地的限制，随时随地进行PLC编程及调试，是一种新型和有效提高PLC教学效果的实验系统。

1 PLC虚拟实验系统

PLC实验系统可分为PLC仿真实验系统、全实物的PLC实验系统和PLC虚拟实验系统等，这三种类型实验系统有各自的优缺点，在不同阶段对学生的PLC编程能力、分析问题和解决问题的能力起着重要的推动作用。

PLC仿真实验系统不需要连接真实的CPU和控制对象，其主要是采用相关软件对编写的梯形图进行仿真运行。首先学生在软件上编写PLC程序，然后将仿真调试软件打开，把编写好的梯形图程序装载并进行仿真运行。不同品牌PLC需要不同的仿真软件，如三菱的GX Simulator6.0仿真软件，支持三菱所有型号PLC；而西门子S7-PLCSIM仿真软件，只支持西门子S7-300的PLC，如果学校PLC课程是以S7-200的PLC为学习的主体，那么这种仿真实验系统就不能采用。

全实物的PLC实验系统需要配置一定数量的PLC和各种实际被控对象。实际被控对象一般为厂家配备的实验操作面板或铣床、镗床、机械手和物料分拣等实物装置。在实践的教学中，首先学生根据设计的电路图把PLC的I/O端与输入信号、被控对象进行硬件连接，然后在电脑上编写程序，并通过下载线把程序下载到PLC上，运行程序并观察实际被控对象的动作。这种PLC实验系统由于受设备价格、场地和管理等限制，学生需要分组分批进行实验，学生的实际动手能力得不到很好的锻炼，实验教学效果也不理想。

PLC虚拟实验系统在PLC仿真实验系统上发展而来的，它主要是采用计算机仿真技术和虚拟现实技术相结合的实验方法[3]，将三维的虚拟控制对象与PLC编程操作结合在一起，集成了程序的编写、模拟调试和动画演示等功能，具有很强的互动性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控组态软件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同构建PLC虚拟实验系统。虽然这套PLC虚拟实验系统的应用，减轻实验室对硬件设备和场地的依赖，提高了实验的开放性和实时性。但由于该实验系统只针对三菱PLC进行梯形图编辑及在线调试，学生在学PLC课程同时还要学组态软件，这样不但增加教师的教学任务量，同时还大幅提高课程的学习难度。

基于上述三种PLC实验系统各自的优缺点，课程组成员联合校企单位共同开发一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟现实技术的PLC虚拟实验系统，该系统不仅能支持3D虚拟对象还能控制实际被控对象。现本文就介绍一种在该虚拟实验系统的基础上构建PLC虚拟实验室建设方案。

2 PLC虚拟实验室建设方案

PLC虚拟实验室构建框图如图1所示，学生先在STEP7或Works2软件中编写好PLC程序并进行保存，然后通过数据线下载到类PLC，类PLC通过串口通信将数据发送给虚拟被控对象或实际被控对象，被控对象在信号的控制下进行相应的运动，而虚拟或实际被控对象的运行参数，反过来通过类PLC及接口板的处理反馈到程序中，实现闭环控制。我们图中的类PLC及接口板是采用嵌入式技术开发的类似于PLC的实验装置，它不但能同时支持虚拟和实际两种被控对象，而且由于其成本低廉和体积小等特点，学生使用和携带都比较方便。

3 PLC虚拟实验室建设案例

根据PLC教学中或工业中较常用的控制对象，采用Unity3D软件进行液体混合装置、十字路口交通灯、六路智能抢答器和三自由度机械手等15种虚拟控制对象的实验平台开发。下面我们以“智能家居控制”实验为案例，介绍PLC虚拟实验室的建设与使用方法。“智能家居控制”实验主要针对定时器指令编程，当按下系统启动按钮后，电视机、窗帘和空调安装一定时间间隔打开，按下停止按钮关闭所有家电。首先学生根据系统中实验的控制要求，在虚拟实验平台进行I/O表的分配及电路设计，具体步骤如图2所示；接着在STEP7或WORKS2软件中进行PLC程序的编辑、编译与保存，然后通过USB数据线将程序载入到类PLC中，类PLC通过处理将控制数据发送给虚拟控制对象，而虚拟控制对象根据发送的指令进行以动画的形式实时表现程序的运行结果，系统则根据运行结果参照控制要求，自动给出正确或错误的提示说明。具体的调试结果如图3所示，这样的实验过程不但能让学生不断地进行程序的修改、调试直至满足控制要求，从而提高学生的PLC编程水平和解决问题的能力[5]，而且还能节省教师的检查时间，提高课堂教学的有效性。

4 结语

该文介绍一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟控制对象的PLC虚拟实验室建设方案和使用方法，它不仅能实现系统I/O表的分配、电路的设计、程序设计和运行调试等实验内容，而且还能同时支持虚拟和实际两种被控对象。该方案的实施，节省了实验经费，改变学生的实验场地、实现移动式实验，提高了实际动手能力、改善了教学效果。

参考文献

[1] 廖常初.S7300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 杨奕.PLC虚拟对象的设计与应用[J]. 微计算机信息，2005（34）：39-40.

[3] 王啸东.PLC虚拟实验室的研究与建设[J].实验室研究与探索，2012（9）：210-213.

[4] 王铭城.FX-TRN-BEG-CL仿真软件在PLC教学中的作用[J].教师，2010（21）：73-74.

[5] 林育兹，鲍平.可编程序控制器原理及逻辑控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[6] 三菱公司.系列PLC用户手册[M].上海：上海电机自动化（上海）有限公司，2005.endprint

摘 要：该文是依托PLC校教改课题和实验室建设项目，在分析三种PLC实验系统优缺点基础上，设计与实现了一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟控制对象的PLC虚拟实验室的建设方案，该方案只需要计算机、类PLC和相关软件就能完成PLC控制系统的I/O表分配、电路设计、程序的设计和运行调试等实验内容，是一种高效、价格低廉、训练效果良好的PLC实验系统。

关键词：虚拟实验室 STEP7或Works2软件 类PLC 控制对象

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可编程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作为当今工业自动化三大支柱之一，随着PLC技术的广泛应用，企业迫切需要大量PLC应用技术人才[1]。目前各类高职院校都开设PLC课程，由于该课程是集理论基础知识和实际操作技能于一体，实践操作性很强。在实践教学过程中，需要学生根据各种工业控制对象的工作流程，通过观察对象的动作情况来验证编写的PLC程序是否正确。但由于受到实验设备的价格、体积和实验室管理等各种条件的限制，我们很难在实验室配备较全面的工业控制对象，因而制约了实验项目的数量和质量[2]。

随着虚拟技术和计算机仿真技术的快速发展，我们可以充分利用计算机软件构造各种模拟实际工业环境的虚拟实验对象，这样的实验内容不受实验设备价格和管理的限制，教师可以方便增加和更新实验项目，而且学生也可以不受时间和场地的限制，随时随地进行PLC编程及调试，是一种新型和有效提高PLC教学效果的实验系统。

1 PLC虚拟实验系统

PLC实验系统可分为PLC仿真实验系统、全实物的PLC实验系统和PLC虚拟实验系统等，这三种类型实验系统有各自的优缺点，在不同阶段对学生的PLC编程能力、分析问题和解决问题的能力起着重要的推动作用。

PLC仿真实验系统不需要连接真实的CPU和控制对象，其主要是采用相关软件对编写的梯形图进行仿真运行。首先学生在软件上编写PLC程序，然后将仿真调试软件打开，把编写好的梯形图程序装载并进行仿真运行。不同品牌PLC需要不同的仿真软件，如三菱的GX Simulator6.0仿真软件，支持三菱所有型号PLC；而西门子S7-PLCSIM仿真软件，只支持西门子S7-300的PLC，如果学校PLC课程是以S7-200的PLC为学习的主体，那么这种仿真实验系统就不能采用。

全实物的PLC实验系统需要配置一定数量的PLC和各种实际被控对象。实际被控对象一般为厂家配备的实验操作面板或铣床、镗床、机械手和物料分拣等实物装置。在实践的教学中，首先学生根据设计的电路图把PLC的I/O端与输入信号、被控对象进行硬件连接，然后在电脑上编写程序，并通过下载线把程序下载到PLC上，运行程序并观察实际被控对象的动作。这种PLC实验系统由于受设备价格、场地和管理等限制，学生需要分组分批进行实验，学生的实际动手能力得不到很好的锻炼，实验教学效果也不理想。

PLC虚拟实验系统在PLC仿真实验系统上发展而来的，它主要是采用计算机仿真技术和虚拟现实技术相结合的实验方法[3]，将三维的虚拟控制对象与PLC编程操作结合在一起，集成了程序的编写、模拟调试和动画演示等功能，具有很强的互动性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控组态软件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同构建PLC虚拟实验系统。虽然这套PLC虚拟实验系统的应用，减轻实验室对硬件设备和场地的依赖，提高了实验的开放性和实时性。但由于该实验系统只针对三菱PLC进行梯形图编辑及在线调试，学生在学PLC课程同时还要学组态软件，这样不但增加教师的教学任务量，同时还大幅提高课程的学习难度。

基于上述三种PLC实验系统各自的优缺点，课程组成员联合校企单位共同开发一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟现实技术的PLC虚拟实验系统，该系统不仅能支持3D虚拟对象还能控制实际被控对象。现本文就介绍一种在该虚拟实验系统的基础上构建PLC虚拟实验室建设方案。

2 PLC虚拟实验室建设方案

PLC虚拟实验室构建框图如图1所示，学生先在STEP7或Works2软件中编写好PLC程序并进行保存，然后通过数据线下载到类PLC，类PLC通过串口通信将数据发送给虚拟被控对象或实际被控对象，被控对象在信号的控制下进行相应的运动，而虚拟或实际被控对象的运行参数，反过来通过类PLC及接口板的处理反馈到程序中，实现闭环控制。我们图中的类PLC及接口板是采用嵌入式技术开发的类似于PLC的实验装置，它不但能同时支持虚拟和实际两种被控对象，而且由于其成本低廉和体积小等特点，学生使用和携带都比较方便。

3 PLC虚拟实验室建设案例

根据PLC教学中或工业中较常用的控制对象，采用Unity3D软件进行液体混合装置、十字路口交通灯、六路智能抢答器和三自由度机械手等15种虚拟控制对象的实验平台开发。下面我们以“智能家居控制”实验为案例，介绍PLC虚拟实验室的建设与使用方法。“智能家居控制”实验主要针对定时器指令编程，当按下系统启动按钮后，电视机、窗帘和空调安装一定时间间隔打开，按下停止按钮关闭所有家电。首先学生根据系统中实验的控制要求，在虚拟实验平台进行I/O表的分配及电路设计，具体步骤如图2所示；接着在STEP7或WORKS2软件中进行PLC程序的编辑、编译与保存，然后通过USB数据线将程序载入到类PLC中，类PLC通过处理将控制数据发送给虚拟控制对象，而虚拟控制对象根据发送的指令进行以动画的形式实时表现程序的运行结果，系统则根据运行结果参照控制要求，自动给出正确或错误的提示说明。具体的调试结果如图3所示，这样的实验过程不但能让学生不断地进行程序的修改、调试直至满足控制要求，从而提高学生的PLC编程水平和解决问题的能力[5]，而且还能节省教师的检查时间，提高课堂教学的有效性。

4 结语

该文介绍一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟控制对象的PLC虚拟实验室建设方案和使用方法，它不仅能实现系统I/O表的分配、电路的设计、程序设计和运行调试等实验内容，而且还能同时支持虚拟和实际两种被控对象。该方案的实施，节省了实验经费，改变学生的实验场地、实现移动式实验，提高了实际动手能力、改善了教学效果。

参考文献

[1] 廖常初.S7300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 杨奕.PLC虚拟对象的设计与应用[J]. 微计算机信息，2005（34）：39-40.

[3] 王啸东.PLC虚拟实验室的研究与建设[J].实验室研究与探索，2012（9）：210-213.

[4] 王铭城.FX-TRN-BEG-CL仿真软件在PLC教学中的作用[J].教师，2010（21）：73-74.

[5] 林育兹，鲍平.可编程序控制器原理及逻辑控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[6] 三菱公司.系列PLC用户手册[M].上海：上海电机自动化（上海）有限公司，2005.endprint

摘 要：该文是依托PLC校教改课题和实验室建设项目，在分析三种PLC实验系统优缺点基础上，设计与实现了一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟控制对象的PLC虚拟实验室的建设方案，该方案只需要计算机、类PLC和相关软件就能完成PLC控制系统的I/O表分配、电路设计、程序的设计和运行调试等实验内容，是一种高效、价格低廉、训练效果良好的PLC实验系统。

关键词：虚拟实验室 STEP7或Works2软件 类PLC 控制对象

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可编程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作为当今工业自动化三大支柱之一，随着PLC技术的广泛应用，企业迫切需要大量PLC应用技术人才[1]。目前各类高职院校都开设PLC课程，由于该课程是集理论基础知识和实际操作技能于一体，实践操作性很强。在实践教学过程中，需要学生根据各种工业控制对象的工作流程，通过观察对象的动作情况来验证编写的PLC程序是否正确。但由于受到实验设备的价格、体积和实验室管理等各种条件的限制，我们很难在实验室配备较全面的工业控制对象，因而制约了实验项目的数量和质量[2]。

随着虚拟技术和计算机仿真技术的快速发展，我们可以充分利用计算机软件构造各种模拟实际工业环境的虚拟实验对象，这样的实验内容不受实验设备价格和管理的限制，教师可以方便增加和更新实验项目，而且学生也可以不受时间和场地的限制，随时随地进行PLC编程及调试，是一种新型和有效提高PLC教学效果的实验系统。

1 PLC虚拟实验系统

PLC实验系统可分为PLC仿真实验系统、全实物的PLC实验系统和PLC虚拟实验系统等，这三种类型实验系统有各自的优缺点，在不同阶段对学生的PLC编程能力、分析问题和解决问题的能力起着重要的推动作用。

PLC仿真实验系统不需要连接真实的CPU和控制对象，其主要是采用相关软件对编写的梯形图进行仿真运行。首先学生在软件上编写PLC程序，然后将仿真调试软件打开，把编写好的梯形图程序装载并进行仿真运行。不同品牌PLC需要不同的仿真软件，如三菱的GX Simulator6.0仿真软件，支持三菱所有型号PLC；而西门子S7-PLCSIM仿真软件，只支持西门子S7-300的PLC，如果学校PLC课程是以S7-200的PLC为学习的主体，那么这种仿真实验系统就不能采用。

全实物的PLC实验系统需要配置一定数量的PLC和各种实际被控对象。实际被控对象一般为厂家配备的实验操作面板或铣床、镗床、机械手和物料分拣等实物装置。在实践的教学中，首先学生根据设计的电路图把PLC的I/O端与输入信号、被控对象进行硬件连接，然后在电脑上编写程序，并通过下载线把程序下载到PLC上，运行程序并观察实际被控对象的动作。这种PLC实验系统由于受设备价格、场地和管理等限制，学生需要分组分批进行实验，学生的实际动手能力得不到很好的锻炼，实验教学效果也不理想。

PLC虚拟实验系统在PLC仿真实验系统上发展而来的，它主要是采用计算机仿真技术和虚拟现实技术相结合的实验方法[3]，将三维的虚拟控制对象与PLC编程操作结合在一起，集成了程序的编写、模拟调试和动画演示等功能，具有很强的互动性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控组态软件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同构建PLC虚拟实验系统。虽然这套PLC虚拟实验系统的应用，减轻实验室对硬件设备和场地的依赖，提高了实验的开放性和实时性。但由于该实验系统只针对三菱PLC进行梯形图编辑及在线调试，学生在学PLC课程同时还要学组态软件，这样不但增加教师的教学任务量，同时还大幅提高课程的学习难度。

基于上述三种PLC实验系统各自的优缺点，课程组成员联合校企单位共同开发一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟现实技术的PLC虚拟实验系统，该系统不仅能支持3D虚拟对象还能控制实际被控对象。现本文就介绍一种在该虚拟实验系统的基础上构建PLC虚拟实验室建设方案。

2 PLC虚拟实验室建设方案

PLC虚拟实验室构建框图如图1所示，学生先在STEP7或Works2软件中编写好PLC程序并进行保存，然后通过数据线下载到类PLC，类PLC通过串口通信将数据发送给虚拟被控对象或实际被控对象，被控对象在信号的控制下进行相应的运动，而虚拟或实际被控对象的运行参数，反过来通过类PLC及接口板的处理反馈到程序中，实现闭环控制。我们图中的类PLC及接口板是采用嵌入式技术开发的类似于PLC的实验装置，它不但能同时支持虚拟和实际两种被控对象，而且由于其成本低廉和体积小等特点，学生使用和携带都比较方便。

3 PLC虚拟实验室建设案例

根据PLC教学中或工业中较常用的控制对象，采用Unity3D软件进行液体混合装置、十字路口交通灯、六路智能抢答器和三自由度机械手等15种虚拟控制对象的实验平台开发。下面我们以“智能家居控制”实验为案例，介绍PLC虚拟实验室的建设与使用方法。“智能家居控制”实验主要针对定时器指令编程，当按下系统启动按钮后，电视机、窗帘和空调安装一定时间间隔打开，按下停止按钮关闭所有家电。首先学生根据系统中实验的控制要求，在虚拟实验平台进行I/O表的分配及电路设计，具体步骤如图2所示；接着在STEP7或WORKS2软件中进行PLC程序的编辑、编译与保存，然后通过USB数据线将程序载入到类PLC中，类PLC通过处理将控制数据发送给虚拟控制对象，而虚拟控制对象根据发送的指令进行以动画的形式实时表现程序的运行结果，系统则根据运行结果参照控制要求，自动给出正确或错误的提示说明。具体的调试结果如图3所示，这样的实验过程不但能让学生不断地进行程序的修改、调试直至满足控制要求，从而提高学生的PLC编程水平和解决问题的能力[5]，而且还能节省教师的检查时间，提高课堂教学的有效性。

4 结语

该文介绍一种基于STEP7或Works2编程软件、类PLC和虚拟控制对象的PLC虚拟实验室建设方案和使用方法，它不仅能实现系统I/O表的分配、电路的设计、程序设计和运行调试等实验内容，而且还能同时支持虚拟和实际两种被控对象。该方案的实施，节省了实验经费，改变学生的实验场地、实现移动式实验，提高了实际动手能力、改善了教学效果。

参考文献

[1] 廖常初.S7300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 杨奕.PLC虚拟对象的设计与应用[J]. 微计算机信息，2005（34）：39-40.

[3] 王啸东.PLC虚拟实验室的研究与建设[J].实验室研究与探索，2012（9）：210-213.

[4] 王铭城.FX-TRN-BEG-CL仿真软件在PLC教学中的作用[J].教师，2010（21）：73-74.

[5] 林育兹，鲍平.可编程序控制器原理及逻辑控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[6] 三菱公司.系列PLC用户手册[M].上海：上海电机自动化（上海）有限公司，2005.endprint