GX Works2和GT Work3联合虚拟仿真在PLC教学中的应用

王旭 朱建梅

（甘肃省理工中等专业学校 甘肃省武威市 733000）

1 引言

PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器是专门面向工业环境的最常见的自动控制设备之一，是电气自动控制类专业普遍开设的专业基础课程[1]。从实际教学反馈的问题来看，学生对PLC 的学习困难主要集中在对不同应用场景下编程逻辑的实现上，这就要求在实际的教学过程中强化对PLC 编程的训练，而大多数实训平台实验内容固定，对应用场景的模拟较为枯燥、缺乏趣味性，教师的讲解和演示具有很大的局限性，教学过程时效性差，必然影响学生学习积极性和实践教学效果。GT Works3 是三菱公司推出的一款集成可视化人机界面创建软件，支持三菱GOT1000、GOT2000等系列触摸屏，支持电脑代替触摸屏运行可视化监控系统、具有丰富的图形建模元素，可以方便地进行PLC 应用场景的搭建和监控画面的设计，通过GX Sumilator2 仿真模块联合GX Works2进行全软件虚拟仿真，极大提高了实验内容的延展性。将工业背景和PLC 实践教学紧密的联系起来，为项目式模块化教学提供了一条有效的教学模式。实践教学证明如果在PLC 实践教学中能够适时引入全软件虚拟仿真，就可以极大增强教学过程中应用案例的灵活设置、突破实训硬件环境限制，减少因硬件故障导致调试失败造成学生挫败感，引导学生将重点聚焦在PLC 软件编程的学习上，激发学生自主探究的能力，提升PLC 控制编程的实用性和趣味性。

2 GX Works2和GT Works3软件介绍

GX Works2 是三菱电机适用于Q、L、FX 等系列可编程控制器的设置、编程、调试和维护的工程工具，兼容GX Developer 软件，具有简单工程和结构化工程两种工程类型，支持语句表、梯形图、SFC、ST、FBD 等编程语言，具有系统标签功能，可实现PLC数据与HMI 的数据共享，能在不使用实际设备的情况下使用GX Simulator2 模拟器模拟确认可编程逻辑控制器的动作，有效地模拟存储器对输入输出模块与智能功能模块进行数据输入输出的功能和调试已创建的顺序程序的功能。GT Works3 的组件GT Designer3是GOT2000 系列和GOT1000 系列用的画面创建软件，可以进行工程创建、模拟、与GOT 间的数据传送，具有可视化效果好、类型完备的图形库，同时也支持第三方CAD 软件DXF、IGES 数据格式导入，可灵活创建监控界面和环境模拟画面，能通过使用GT Simulator3 模拟器在计算机上模拟GOT 系列设备，实现和可编程控制器CPU 设备或连接机器模拟器的连接监控。通过GT Simulator3模拟器和GX Simulator2 等连接机器模拟器联合，就可以在没有实际触摸屏设备和可编程控制器的情况下，在计算机上实现全软件虚拟仿真。

表1：交通信号灯系统控制要求

图1：十字路口交通灯控制时序图

图2：仿真系统控制原理图

图3：十字交通灯控制梯形图

3 GX Works2和GT work3联合虚拟仿真在PLC教学中的应用

图4：系统显示画面

图5：数码管显示部件制作及设置

PLC 作为现代工业自动化三大支柱之一，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业应用极其广泛，而目前学校使用的实践教学设备只能模拟某一典型行业的某些典型控制场景，教学模型抽象、实践体验性差，无法为学生提供个性化的实训场景，教师在教学过程中经常需要引导学生能对教学模型和实际场景产生良好的情景迁移，这种基于想象的抽象教学过程很容易导致学生失去学习兴趣，势必导致学生对PLC 的学习停留在浅层应用，PLC 编程水平无法得到有效提高。在教学过程中通过借助CAD 软件的场景建模，使用GX Works2 和GT work3 联合进行虚拟仿真，可以方便的模拟出面向不同行业不同自动控制过程的个性化实践场景，增强实践过程的画面感和娱乐性，突出对学生PLC软件编程能力的培养，提高学生学习的主动性和实效性。本文将以生活中十字路口交通信号灯控制实际场景为例具体说明GX Works2和GT work3 联合虚拟仿真在PLC 教学中的应用。

3.1 十字路口交通信号灯PLC控制系统设计

本案例采用项目式模块教学法，通过学生观察周边熟悉环境的十字路口交通灯系统，记录交通灯布局和变化特点，以生活中真实场景设计实现十字路口交通灯信号灯PLC 控制仿真系统，激发学生设计欲望、增强实践体验。

图6：数码管驱动脚本

图7：设置连接方式

本项目中交通信号灯采用圆形信号灯，东西南北每个方向各一组三联（红灯、黄灯、绿灯）指示信号灯、一个倒计时器，南北方向的信号灯同步工作，东西方向的信号灯同步工作，其控制要求如表1所示。

当启动PLC 时，系统得电。按下启动按钮，南北红灯亮，同时东西绿灯亮，南北红色倒计时器显示计时27s，东西绿色倒计时器显示计时27s，南北红灯亮，东西黄灯亮，南北红色倒计时器显示计时3s，东西黄色倒计时器显示计时3s，南北绿灯亮，同时东西红灯亮，南北绿色倒计时器显示27s，东西红色倒计时器显示27s，南北黄灯亮，东西红灯亮，南北黄色倒计时器显示3s，东西红色倒计时器显示3s，如此完成一个周期后循环上述动作。其动作时序如图1所示。

为了最大限度的达到仿真实验与硬件设备实训之间平滑衔接，在设计仿真实验前，应先根据控制要求分析设计出实际应用控制系统，在尽可能保持PLC 控制器I/O 端口和控制程序相一致的原则下设计完成仿真系统。此十字路口交通灯控制系统具有2 个启停控制输入点、6 个交通指示灯输出点、16 个数码倒计时显示管控制输出点，每4 位输出控制一只七段数码管显示，每次显示4 只七段数码管。考虑到三菱PLC 仿真器并不是所有的指令功能均能实现仿真，比如数码管七段译码指令SEGD 就不能仿真，只能连接PLC 设备才能使用，为了保持PLC 输出控制接口不变，需在触屏控制端开发模拟数码管驱动脚本。本文采用三菱FX3U-48MR 型号PLC 设计系统[2]，仿真系统控制原理图如图2所示。

3.2 GX Work3 PLC控制程序设计

分析交通灯的控制时序，不难看出其状态是按特定的时间顺序定时切换的，并且南北方向、东西方向交通灯及倒计时数码显示器的工作状态是对称的，在程序设计的时候可以采用单一顺序STL功能图实现控制逻辑，具体步骤如下：启动GX Works2，新建项目工程，选择FXCPU 系列和FX3U/FX3UC 机型，工程类型选择为简单工程，程序语言为SFC，设置第0 块类型为梯形图，编写设备初始化程序，添加SFC 类型程序块，编写顺序功能图，为每一步编写梯形图控制程序，其顺序功能图和控制梯形图如图3所示。

3.3 GT Designer3监控画面的设计

监控画面的基本画面如图4所示，东西南北四个方向各放置一组红绿黄三联指示灯和红蓝黄三色倒计时数码显示器，一对系统启动按钮和停止按钮，具体步骤如下：启动GT Works3，新建项目，选择GT2000 系列GT27**-X（1024*768）机种，连接机器选择MELSEC-FX 机种，通信驱动程序为MELSEC-FX，其余默认即可，制作交通指示灯和数码显示管组成部件如图5所示，完成基本画面的设计制作[3，4]。

3.4 GX Works2和GT work3联合进行虚拟仿真

在完成PLC 程序编程和监控画面设计之后，需要根据仿真动画效果编写脚本程序如图6所示，就可以联合GX Works2 和GT Works3 进行仿真实验，首先通过GX Works2 启动GX Simulator2模拟仿真器，然后通过GT Works3 打开GT Simulator3 模拟器，在【模拟】|【选项】对话框选择通讯设置选项卡，设置连接方式为GX Simulator2 如图7所示，启动模拟器，单击监控画面启动按钮，可以观察到成功实现了仿真效果。

4 总结

本文利用GX Works2 和GT Works3 联合仿真，直观生动地实现了PLC 对十字交通灯的仿真控制，利用这种方法教师在实际的教学过程中，可以针对不同的应用背景，结合学生的兴趣点灵活设定实践项目，多维度设计教学过程；学生可通过完整的设计流程，保证项目开发的规范性、完整性和实用性，并充分挖掘GT Works3的脚本控制能力，开发出PLC 无法仿真的指令的模拟效果，激发学生自主探究的能力和创新能力。