虚实结合的大型设备PLC实验系统设计与开发

邢 玲，徐健宁，董增文2，

（1.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010；2.清华大学 自动化系，北京 100084；3.南昌大学 机电工程学院，江西 南昌 330031）

可编程序控制器（PLC）课程是高校机电和自动化专业的一门重要专业课，该课程的实验教学环节能帮助学生理解课程基础知识、培养实践能力和创新能力，是提高教学质量的重要环节［1－3］。但受实验经费和场地的限制，该课程实验系统的控制对象主要采用小型设备，所以学生对小型设备的PLC控制方法有动手做实验的机会，容易得到知识和经验积累。但是大型设备的PLC控制实验，实验室很难开出［4］；即使开出，也一般限于演示实验［5］，实验教学的效果不理想［5］。为此，笔者设计开发了虚实结合的大型设备PLC实验系统，并以电梯PLC实验系统为例，阐述PLC实验系统的设计开发方法、过程与要点。

1 高校的大型设备PLC实验分析

很多大型设备是机电一体化设备，是PLC课程理想的实验对象。学生能通过大型设备的PLC控制实验，积累大型设备控制的知识和经验。当前，高校构建PLC控制的大型设备实验系统通常采用两种模式［6］。

（1）传统的大型设备PLC实验系统由PLC、接口电路和大型设备机械本体搭建而成，形象直观，贴近工业现场。但大型设备的真实机械系统对一般高校实验室来说，体积过大，成本过高，安全不好保证，更难以保证实验设备的生均台套数，故此常限于认识实验。

（2）大型设备PLC实验系统构建模式是在PC机上采用不同软件模拟PLC程序运行和大型设备真实本体动作，通过虚拟PLC和虚拟大型设备模型之间的通信，模拟PLC控制大型设备的过程。由于整个系统完全虚拟，实验成本极低，实验场地和时间也不受限制［7］，非常有利于学生课后练习。但是，由于该实验模式没有真实PLC的动作，学生难以直观地认识PLC的运行原理、I/O过程。这偏离PLC教学本意，实验效果也难如人意。

可以看出，以上两种模式既有自身的优点，也有难以克服的缺点。因此，可以集上述两种模式的优点，采用虚实结合的方式构建PLC实验系统，即上位机虚拟大型设备运行，通过与下位机（真实的PLC）的通信，构建出形象直观、贴近工业现场的大型设备PLC实验系统，增强实验过程的真实性、交互性和开放性［8］。

上位机软件虚拟大型设备运行的方法通常有两种：一是基于VC、VB等软件的图形库开发，但开发周期长、工作量大；二是基于组态王、WINCC等成熟组态软件进行开发，这类软件面向工业现场，功能强大、动画美观、交互友好、使用方便、开发周期短且很接近工业现场的应用效果。第二种方法在高校实验系统的设计开发中优势明显，所以在过程控制实验、自动化仪表实验、智能交通实验、智能楼宇系统实验、测试实验等方面均有广泛应用［9－15］。

笔者总结多年教学经验，针对PLC控制系统实验教学的需要，采用上述虚实结合的思路，设计和开发出一套基于组态王软件的虚拟大型设备（电梯）PLC实验系统。

2 实验系统的构架及原理

真实的电梯系统常采用如图1的构架方式。下位机PLC作为电梯主控制器，实现曳引机控制，轿厢、门厅、故障等信号的扫描以及与上位机的通信；而上位机则进行组态监控。

图1 真实电梯系统构架

虚实结合的PLC电梯实验系统中，组态王仿真画面代替电梯机械本体，既要模拟出电梯的轿箱位置信号、呼梯信号、门机信号、故障信号等电梯输入信号，还要通过与下位机PLC的通信，根据PLC的逻辑输出，采用动画形式模拟出电梯的运行过程。下位机PLC运行真实电梯控制程序，由一系列真实按键模拟电梯系统的门厅呼叫、轿厢呼叫以及超限等报警信号，整个实验系统简化的硬件构架如图2

图2 虚实结合的电梯PLC实验系统架构

实验时，教师给出系统定义的组态王数据词典，即虚拟电梯画面与真实PLC的接口I/O点的对应数据表，学生就可以根据数据词典练习编写下位机的PLC控制程序。编写的控制程序正确与否，可以根据上位机组态画面的运行和PLC真实I/O状况进行检验；如果程序不完善，可进一步改进PLC程序。整个实验过程与工业现场一致。

3 实验系统的实现方法

虚实结合的电梯PLC实验系统模拟一台5层电梯的运行，上、下位机采用RS232串口通信，下位机PLC主控制器选用欧姆龙公司C系列的CQM1H型可编程序控制器，上位机组态软件采用组态王King－View 6.51。系统设计开发工作主要包括上位机电梯组态画面的设计、上位机虚拟电梯和下位机I/O点接口定义、下位机Demo程序的开发和调试等，设计开发工作交互进行。

3.1 上位机软件开发

组态王提供了资源管理器式的操作主界面，该软件简洁易用、动画形象逼真，脚本语言支持汉字作为关键字且接近自然语言，提供了多种硬件驱动程序，功能甚为强大。

上位机组态系统开发过程包括虚拟电梯画面设计制作、组态王数据词典定义、虚拟电梯动画脚本程序编写等过程。进行虚拟电梯画面设计制作时，首先分析真实电梯系统的功能，可根据电梯的功能树，设计出虚拟电梯实验系统组态画面的框架（见图3）。

电梯模拟画面即为电梯运行动画和操作的组态画面，它可以采用动画和指示灯的方式模拟各I/O点输入输出效果。为使系统能与真实电梯本体连接，从而监控真实电梯的运行，组态功能中还设计了报表画面和索引画面。考虑到系统的完整性，友好的主界面和退出画面可以使系统的人机交互性更好。

图3 上位机虚拟仿真电梯的功能组成

设计好组态画面的架构后，便可按部就班设计制作上位机虚拟电梯的组态画面了。本系统的虚拟电梯组态画面如图4所示。

图4 上位机虚拟仿真电梯

画面制作完成后，便可以定义数据词典。由于数据词典是PLC与虚拟电梯组态画面及画面脚本程序的连接纽带，定义时必须与表1中PLC的I/O点的分配一致。部分数据词典定义见表1。

表1 部分数据词典定义示例

在制作完成组态画面和数据词典的基础上，再根据电梯的真实动作来编写画面的脚本程序，以求得到逼真的动画效果。编写组态王的画面脚本程序非常方便，其语言很接近自然语言。例如控制电梯开门和关门的动画脚本程序如下：

3.2 下位机I/O分配与Demo程序设计

欧姆龙CQM1H型PLC是一款模块化的小型PLC系统，结构紧凑、使用方便、易于用户掌握，能满足中等性能要求的应用，有较高的性价比，是国内很多高校PLC课程所选的学习机型，所以非常适合用于本系统。

由于使用上位机虚拟电梯的画面触点模拟PLC的输入信号，故设计PLC程序的I/O点时，输入点应采用内部变量模拟，而不能采用真实的PLC的输入点（因为真实PLC输入点的值只有通过真实的机械开关触点才能改变）。输出点分配则可以采用PLC真实的输出点。

表2所给出的部分PLC的I/O点分配形式完全体现了上述特点。

表2 系统定义的部分PLC程序I/O点

表2 （续）

这些系统分配的I/O点也是学生做实验编程时，需要向学生开放和规定的接口。

开发PLC的Demo程序时，采用的接口也必须与上述分配的I/O点一致。比如虚拟电梯系统开门和关门控制程序如图5所示：

图5 开门和关门PLC程序

119.03 和119.04分别是开门继电器和关门继电器，只有当电梯不运动的时候才能执行开关门的指令，所以要对100.00和100.01的状态进行判断。100.00和100.01分别是曳引电机正转和反转的状态，也就是判断电梯有无上下行。当119.03置位且119.04复位说明电梯处于开门状态，就调用电梯开门子程序段004；当119.03复位且119.04置位就说明电梯正处于关门状态，就调用电梯关门子程序段005。

3.3 系统的联合调试

以上程序设计完成后，连接上、下位机，即可进行系统的联合调试，以检验系统的有效性，测试并改善画面的动画效果。经笔者测试、调试和实际运行，该实验系统运行良好，动画逼真流畅。系统中电梯上、下行及开关门采用动画显示，红绿指示灯模拟开关量的状态，而上、下行标志采用箭头指示。虚拟电梯动画效果非常接近于真实的电梯运行。

4 结束语

设计开发的虚实结合的大型设备PLC实验系统经过2年的教学实践运行和检验，表现出以下优点：（1）实验系统操作接近真实的大型设备的操作，上位机虚拟大型设备的动画形象直观、组态界面友好、操作简单，下位机PLC编程与实际应用一致。（2）实验安全、成本低，容易保证台套数，大大提高了学生动手实验的机会，实验效果良好。（3）对于其他需要大型机电设备的PLC实验，很多学校无法开出；而参照本实验系统的思路，开发类似实验系统则可进行实验，这样能弥补学生认识、知识的不足，加强学生工程能力的培养。（4）只要带上PLC和接口板，结合现代课堂常用的多媒体技术，很容易做到实验进课堂，大大提高PLC课程教学质量。

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