基于组态软件的PLC仿真教学系统的设计与开发

申海

摘要：在目前的PLC实验教学中，实验箱和实训台等实验设备的硬件连线已经搭接完成，学生每次实验只需完成固定的实验内容，编写固定的程序即可。此类实验对学生在PLC性能及相关应用的理解上有很大影响，且不能很好地满足教学灵活性要求。针对此现状，本论文提出将组态软件应用到PLC教学中，即基于组态软件，在计算机上实现PLC控制对象的全真模拟，并通过PLC控制程序实现对模拟被控对象的控制。经过教学实践，此仿真方法不仅可行，且为PLC教学提供了极大的灵活性，有效提高了教学质量和教学效率。

关键词：组态软件；仿真；PLC控制系统

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0265-02

在科学技术飞速发展的今天，在钢铁、石化、机械制造、电子信息诸如此类的工业生产中，可编程逻辑控制器被大量应用且已经成为不可缺少的重要部分。最初，可编程逻辑控制器只是简单应用在开关量的逻辑控制中，但伴随着相关技术的发展，它的应用也慢慢覆盖了大多领域。如今，PLC可以实现开关量控制、模拟量和数字量的控制，实现数据存储、监控和联网等功能。PLC的广泛应用也使得PLC的教学更加有意义，也更加重要。

当前，PLC实验教学面临着实训台和实验设备体积过大、价格高昂、实验项目不灵活等各种问题，使得大部分高校都不能真正满足PLC教学的要求。目前，高校PLC教学只能保证基础实验教学，缺少相关的综合设计，这在很大程度上严重制约了学生对PLC的学习和运用需要。

为了解决以上相关问题，高校教学可运用虚拟实验系统，即利用计算机软件设计若干控制对象的软模型来模拟仿真工业控制系统，然后通过PLC控制程序进行控制。这种一体机的仿真操作方法会使PLC的教学更具备灵活性、生动性，同时也更加容易被学生理解并在将来拓展应用。同时，也解决了实验设备体积过大不易实验、价格高昂等问题，节省了人力物力。

本论文提出的仿真教学系统，借助计算机来确定实际工程的工艺流程和监控界面，通过与编程软件建立通讯连接，然后发送相应的操作指令，即可在本机观测到工作状态和控制情况，由此理解所学的教学内容，以及接下来需要操作的部分。

本论文提出的仿真系统可完成传统实验箱和实训台所包含的所有实验项目，大大提高了教学质量和教学效率，更为学生今后的就业提供了夯实的知识和实践基础。

一、PLC仿真系统设计方法

利用组态软件设计PLC实验装置的虚拟仿真控制对象就是在计算机上运行实验之前预先编写完成的组态应用程序，利用软件替代硬件（被控对象）所进行的工作，并通过在计算机的显示屏幕以动画、数值、文字等形式所表现出来的PLC控制的过程与结果。通过计算机模拟被控对象，可以很好地解决PLC实验教学中，学生对被控过程理解程度不深，如何完成整个控制过程的茫然性等问题。

在本论文提出的仿真系统中，主要通过四个软件实现仿真功能：组态王、NettoPlcsim、PLC编程软件以及PLCSIM。其中，组态王软件为上位机软件，完成被控对象模型的仿真。PLC编程软件位于下位机，用于编写控制程序。NettoPlcsim可在上位机与下位机之间建立连接，从而实现组态软件上位机与PLC下位机之间通讯。PLCSIM是模拟可编程控制器硬件的仿真软件，它可以与PLC编程软件集成，从而实现无硬件状态的仿真模拟。

二、PLC仿真系统使用方法

利用本论文提出的仿真方法可以完成PLC教学的所有基本指令，包括位指令、定时器指令、计数器指令、传送与比较指令、移位与转换指令、数学运算指令及其他指令。本论文通过最基本的位逻辑指令详细说明此仿真系统的使用方法。

位逻辑指令是PLC教学中的最基本的指令，主要包括常开、常闭、置位与复位和边沿检测等指令。教学方法为采用电动机实验来完成上述指令的学习，实验内容为利用PLC实现电动机点动，正转、反转、正反转和顺序启动等控制。在仿真方法中实现此电动机实验步骤如下：首先，在组态王软件中设计相应的监控界面，包括相应的电动机，分别表示电动机正转、反转和停止的按钮；然后，在PLC编程软件中设计控制电动机正反转的控制程序；第三，按照仿真系统的连接方法，使PLC能够和组态王之间进行正常通信；最后，运行组态王的监控界面。当按下正转按钮时，电机进行正转操作。当按下反转按钮时，电机进行反转操作。一旦按下停止按钮，电动机停止工作。

三、综合实验开发实例

利用组态软件的PLC仿真教学除了可以完成基础实验，还可以完成很多综合性实验，如LED数码显示、天塔之光、装配流水线、运料小车、自动配料/四节传送带、机械手，十字路口交通灯控制、邮件分拣系统、自动售货机控制、四层电梯控制和舞台灯光模拟控制等实验。

1.浓度检测实验。浓度检测工作在工业中经常应用，如对于装修中的甲醇含量、空气中的粉尘浓度、酒精浓度以及其他气体物质的浓度，通常需要对其进行浓度测量，以确保浓度含量值在正常值范围内，进而确保生产质量和生产安全。

对于此类实际工程，可按照工程要求设计如下仿真系统：在组态界面添加三个灯，分别表示低浓度、正常浓度和高浓度，再添加一个指示灯和一个表示浓度含量的容器。编写好控制程序后，可按照连接步骤进行仿真实验。利用此监控界面实现功能如下：当浓度是0—35时为低浓度，低浓度指示灯变绿，指示灯常亮；当浓度为36—70时，正常浓度指示灯灯变绿，指示灯以0.6Hz的频率闪烁；当浓度为71—100时，高浓度指示灯变绿，指示灯以1Hz的频率闪烁。

2.电动机综合实验。在工业控制中经常需要使用电动机，因此高校PLC实验教学也都十分重视电动机实验。但在传统实验中，需要实验者在体积很大的电动机控制箱前按照实验工作接线图进行连线，操作烦琐，一旦部分连线错误很难查找出出错的部分，进而影响实验效率。或是固化的实验箱只能让学生完成单纯的电动机正反转等简单实验。因此，高校教学可利用本论文的仿真方法来实现电动机的灵活性实验教学，如多台电动机顺序启停和定时控制、电动机往返运动和电动机调速等复杂实验。

四、结束语

通过以上介绍可得出，利用本论文提出的组态软件模拟控制对象的实验教学方法，可轻松简单地完成很多传统实验难以实现的操作，大大节省了人力物力，并可轻松引导学生学习PLC，也会让学生更加深刻地理解和体会PLC的指令及其应用方法。另外，在本论文提出的PLC仿真实验中有大量生动的工程图片，可以快速地激发学生的学习兴趣和热情。通过将此PLC仿真教学应用于真正的实践教学中，教学效果非常明显，教学质量大幅度提高，教学内容也随之增加。总之，PLC仿真教学模式可增强PLC实验教学的效率，让实验更具灵活性，更能为学生打下良好的PLC知识和工程实践基础。

参考文献：

[1]罗文.基于MCGS组态软件的PLC仿真教学设计与实现[J].长沙航空职业技术学院学报，2014，（10）：46-50.

[2]周永勤，周美兰，颜景宾，王旭东.基于组态技术虚拟被控对象的PLC仿真实验研究[J].哈尔滨理工大学学报，2004，（9）：7-10.

[3]侯思颖.组态软件仿真在过程控制教学中的应用[J].高等教育研究，2010，（06）.

[4]袁云龙.基于组态软件的PLC控制系统仿真实现[J].自动化仪表，2006，（05）：40-44.

[5]李昀昭.基于虚拟仿真和触摸屏技术的PLC实验教学平台的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.

[6]汪晓光，孙晓瑛，王艳丹，可编程控制器原理及应用[M].北京机械工业出版社，2008.

[7]卢学英，李莹.PLC实验教学改革的研究[J].实验室科学，2007，（3）.

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