基于组态技术的PLC仿真实验教学平台

郭金梅， 赵立萍， 周美兰

(1.哈尔滨远东理工学院 机电工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150025 2.哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150080 )

0　引言

可编程控制器，简称PLC (Programmable logic Controller)，是自动控制技术、计算机技术和通信技术三者结合的高科技产品，它应用可编程序的存储器在其内部存储数据并执行操作指令，控制机械及其运行过程[1]。

PLC自1969年问世以来，就获得了广泛关注与应用，而让学生学习PLC技术并熟练掌握这门技术业已成为各高校开展PLC教学的首要任务。以往在对真实被控对象进行研究实验时，往往由于工控设备质量大、体积大、价格高和难维护等问题很难在实验室中配备，即使实验室配置了某些相对简单的设备，也因其易损坏、种类少而不能充分满足为学生开设实验课的需要。

本文提出了PLC技术与组态监控软件设计相结合的方法，利用组态软件模拟PLC的控制对象，通过计算机可以实时观测控制过程。应用此方法设计的实验教学平台投入到实验教学中，可以用有限的设备资源结合灵活多变的程序和组态样机实现PLC实验教学，从而丰富教学内容增强实验教学效果，为学生学习PLC技术提供了便利[2]。

1　实验分析及实验系统组成

1.1　组态软件和PLC实验教学

组态软件是一种能进行数据采集和过程控制的软件，它在自动化体系中以灵活多变的方式提供监控环境与开发条件[3，4]。组态软件通过计算机可以实现数据传输、数据存储和监测控制功能。在进行组态虚拟样机设计时，除了可以采用软件中自带图库，也可以应用本地图片和网站上的图片，利用位图功能加入到设计界面中，使被控的虚拟对象更加形象生动。

在PLC的实验教学中，由组态软件模拟PLC的控制对象，用PLC对其进行控制，通过观察计算机屏幕上的动画显示，直观地监测PLC程序的执行过程和运行结果[5-7]。

1.2　虚拟仿真实验系统的组成

虚拟仿真实验是根据系统运行的实际情况，在组态软件中编制组态样机，建立数据库并定义组态变量，之后将程序编辑控制器中编译成功的程序下载至PLC，连接PLC与组态软件进行通信实现控制，借助计算机屏幕上的动态画面来观察监测控制过程，检验PLC的控制结果的正确与否[8-10]。

本文实例采用的组态软件是力控7.0，采用松下FP0R系列的PLC，通过USB接口将其与计算机连接通讯。组态虚拟仿真实验的系统结构图如图1所示。虚拟仿真实验流程图如图2所示。

图1　仿真实验的系统结构图

2　实验教学平台及实例

2.1　实验教学平台及其演示实验内容

依据上述方法，本文提出了一套基于虚拟仿真技术的PLC实验教学平台，该平台包括六个演示实验。六个演示实验内容如下：

1)十字路口交通指挥灯组态仿真实验

图2　虚拟仿真实验流程图

此实验包括横向控制灯和纵向控制灯各两组，每组有红、绿、黄三种颜色灯。横向红灯和纵向绿灯同时亮灭，横向绿灯和纵向红灯同时亮灭，两个方向的黄灯同时亮灭。按下开始按钮后，横向红灯亮20 s，然后黄灯亮3 s，接着绿灯亮20 s。在进行上述过程的同时，纵向进行相反的控制过程。按下停止按钮，系统控制程序停止。

2)运料小车PLC控制组态仿真实验

此实验是PLC控制一台小车实现两个工作台之间运送货物的过程，当按下开始按钮时，小车左行至最左端，左端行程开关变为红色，等待装货，3秒后小车右行，直至最右端碰到行程开关，行程开关变为红色，等待卸货，3秒之后小车重新左行，不断重复之前过程，直到按下停止按钮为止。小车停止时，当按下手动后退按钮，小车左行至最左端，当按下手动前进按钮时，小车右行至最右端。组态仿真界面有指示箭头显示小车左行或右行状态。

3)红酒酒瓶装箱组态仿真实验

此实验是利用PLC来控制红酒酒瓶装箱的自动生产线，系统利用一只机械手来完成整个装箱过程，开始时装满红酒的瓶子一个接一个不断地进入装箱生产线，当计数器计满12瓶后开始装箱动作，一次装箱完成后，机械手复位，重新进行下一次装箱动作。

4)溶液混合PLC控制仿真实验

系统由1个溶液混合罐、3个电磁阀、3个位置开关和1个搅拌叶轮组成。当按下“开始”按钮后，先打开1号溶液的电磁阀A，在溶液混合罐内放入1号溶液，液面到达“中位置开关”，此时关闭电磁阀A，打开电磁阀B，放入2号液体，液面到达“上位置开关”，关闭电磁阀B。叶轮开始旋转搅拌液体5 s，然后叶轮停止，打开“排放电磁阀”，将混合罐内的液体排出，直到液面达到“下位置开关”为止，然后重复上述过程。在任何时候，按下“停止”按钮，系统自动停止，再按下“开始”按钮，系统接着原来的工作继续进行。

5)一维位置控制组态仿真实验

此实验系统的主要控制对象是航吊，开始之前，航吊位于最左端，当按下“开始”按钮后，航吊运载一台电动机从左端到右端后放下此台电动机，航吊返回重新运载另一台电动机，当按下“停止”按钮，系统停止运行，再按下“开始”按钮，接着原来工作继续执行下一台电动机航吊。

6)霓虹灯PLC控制组态仿真实验

此实验是用PLC控制8个字符的霓虹灯的闪烁过程，按下“闪烁”按钮后，“中”、“国”、“共”“产”、“党”、“万”、“岁”、“！”依次点亮，全部点亮2 s后，八个字符同时进行闪烁3次，持续亮3 s，之后按之前的程序循环进行，按下停止按钮后，程序停止工作，霓虹灯立即全部熄灭。

2.2　虚拟仿真系统的设计实例

此节以十字路口交通指挥灯和运料小车仿真实验为例，介绍该虚拟仿真系统的设计过程。

1)虚拟仿真系统的组成

本虚拟仿真实验系统采用计算机作为上位机，采用松下的可编程控制器FP0R-C24作为下位机。组态软件Force Control 7.0和PLC程序编辑器FPWIN-GR都安装在计算机中，在Force Control 7.0中编制组态样机，建立数据库并定义组态变量，之后将FPWIN-GR中编译好的程序下载至PLC中，将PLC与组态软件通过USB接口连接进行通信，实现PLC控制组态虚拟仿真系统的调试和运行[11]。

2)十字路口交通指挥灯仿真实验

(1)PLC程序设计—在编写PLC程序之前要分配PLC的I/O点，并确定上、下位机的接口。十字路口交通指挥灯控制实验的I/O分配分别如表1所示。

表1十字路口交通指挥灯控制I/O分配表

十字路口交通灯控制的数据库变量如表2所示，其梯形图如图3所示。

表2　交通灯数据库变量表

图3　十字路口交通指挥灯梯形图

(2)仿真界面的制作—仿真界面的制作包括背景设计、指挥台的设计、红绿灯的设计、车辆的设计以及控制按钮的设计。图4为所设计的十字路口交通指挥灯PLC控制虚拟仿真系统界面图。

3)运料小车仿真实验

依据上述虚拟仿真系统的设计步骤，对运料小车PLC控制仿真实验进行了设计，图5为运料小车的组态仿真界面。

图4　十字路口交通指挥灯组态仿真界面

图5　运料小车的组态仿真界面

运料小车组态控制I/O分配标如表3所示。

表3　运料小车组态控制I/O分配标

运料小车控制的数据库变量如表4所示，相应的实验程序如图6所示。

在当地政府和公平贸易组织的共同协作下，在当地建立藏绣合作社。一方面，请专业的有经验的绣娘，对传统的、新颖的刺绣技艺进行培训；另一方面，为绣娘提供固定的劳作场所，创造人际往来的空间，吸引更多的绣娘加入合作社，在实现藏绣的量产和质量监控的同时，有效带动当地妇女就业。除此以外，合作社还是一个社区互助组织，可以充分使用公平贸易公益反馈资金在当地社区开展“藏绣传承人计划”、教育反哺和困难帮扶等项目。

表4　运料小车控制数据库变量表

PLC实验教学平台中的其他实验的设计这里就不一一具体介绍了，设计原理与方法参照上述虚拟仿真系统的设计步骤。

3　PLC组态虚拟实验的效果分析

应用组态虚拟技术，可以在一定程度上方便灵活地控制被控对象，这种人机交互式的设计不仅在PLC实验教学中起到了一定的作用，在实际工程控制方面也具有较高的实用价值，例如很多工程现场中都设计有触摸屏，通过观测和与触摸屏交互实现对工程现场的控制，而触摸屏正是采用了组态虚拟技术实现的。组态虚拟仿真在教学中，对培养学生进行工业自动化控制系统设计也具有一定的促进作用。下面就PLC实验教学方面将组态虚拟仿真与传统PLC实物实验进行对比，如表5所示。

图6　运料小车的组态仿真梯形图

表5　组态虚拟仿真实验与传统PLC实物实验对比

从表上可见，虚拟仿真技术具有可行性强、费用少和接线简单等优点，在实验室中某些难配备的设备应用组态虚拟仿真技术进行实验具有一定的优势，这为实验教学提供了一个新途径。

4　结语

在PLC实验教学中采用PLC电气控制与组态设计相结合的方法，成为PLC实验课的有利补充。通过此方法可以利用有限的实验设备和多样化的程序来丰富PLC实验内容。学生通过亲自参与组态样机的开发、程序的设计以及设备的连接调试过程，不仅能够熟练地掌握PLC技术，还可以提高自己的动手能力和创新能力。另外，仿真控件的开发周期短，开发后免维护，所以可以开发多个仿真控件，增加实验的多样性，以达到全方位教学的目的，丰富学生的工程实践经验。

参考文献:

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[3]周晓旭. 基于PLC和组态软件的自动生产线设备开发[J]. 天津:数字技术与应用,2011,(02): 91-93.

[5]吕品. PLC和触摸屏组合控制系统的应用[J]. 上海:自动化仪表,2010,08:45-47,51.

[6]朱思亮. 基于PLC的恒压供水监控系统设计与实现[D] . 成都:电子科技大学,2013.

[7]白晓旭,陈广华,霍凯. 基于PC-PLC的虚拟电梯控制系统设计[J]. 北京:计算机仿真,2014,06:443-446.

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[10]孔国利,张波,杜保强. 基于虚拟现实技术的教学组态软件[J]. 上海:实验室研究与探索,2010,06:45-48.

[11]周美兰, 李昀昭. 基于触摸屏的PLC实验教学平台的研究与实现[J]. 北京:中国电力教育,2013(36) : 109-110.