淺談PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和研究

葉紅芳

摘 要：該文是依托PLC校教改課題和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，在分析三種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，該方案只需要計(jì)算機(jī)、類PLC和相關(guān)軟件就能完成PLC控制系統(tǒng)的I/O表分配、電路設(shè)計(jì)、程序的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是一種高效、價格低廉、訓(xùn)練效果良好的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室 STEP7或Works2軟件 類PLC 控制對象

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可編程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作為當(dāng)今工業(yè)自動化三大支柱之一，隨著PLC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，企業(yè)迫切需要大量PLC應(yīng)用技術(shù)人才[1]。目前各類高職院校都開設(shè)PLC課程，由于該課程是集理論基礎(chǔ)知識和實(shí)際操作技能于一體，實(shí)踐操作性很強(qiáng)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，需要學(xué)生根據(jù)各種工業(yè)控制對象的工作流程，通過觀察對象的動作情況來驗(yàn)證編寫的PLC程序是否正確。但由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的價格、體積和實(shí)驗(yàn)室管理等各種條件的限制，我們很難在實(shí)驗(yàn)室配備較全面的工業(yè)控制對象，因而制約了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量和質(zhì)量[2]。

隨著虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，我們可以充分利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)造各種模擬實(shí)際工業(yè)環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)對象，這樣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備價格和管理的限制，教師可以方便增加和更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且學(xué)生也可以不受時間和場地的限制，隨時隨地進(jìn)行PLC編程及調(diào)試，是一種新型和有效提高PLC教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、全實(shí)物的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等，這三種類型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在不同階段對學(xué)生的PLC編程能力、分析問題和解決問題的能力起著重要的推動作用。

PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不需要連接真實(shí)的CPU和控制對象，其主要是采用相關(guān)軟件對編寫的梯形圖進(jìn)行仿真運(yùn)行。首先學(xué)生在軟件上編寫PLC程序，然后將仿真調(diào)試軟件打開，把編寫好的梯形圖程序裝載并進(jìn)行仿真運(yùn)行。不同品牌PLC需要不同的仿真軟件，如三菱的GX Simulator6.0仿真軟件，支持三菱所有型號PLC；而西門子S7-PLCSIM仿真軟件，只支持西門子S7-300的PLC，如果學(xué)校PLC課程是以S7-200的PLC為學(xué)習(xí)的主體，那么這種仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就不能采用。

全實(shí)物的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要配置一定數(shù)量的PLC和各種實(shí)際被控對象。實(shí)際被控對象一般為廠家配備的實(shí)驗(yàn)操作面板或銑床、鏜床、機(jī)械手和物料分揀等實(shí)物裝置。在實(shí)踐的教學(xué)中，首先學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖把PLC的I/O端與輸入信號、被控對象進(jìn)行硬件連接，然后在電腦上編寫程序，并通過下載線把程序下載到PLC上，運(yùn)行程序并觀察實(shí)際被控對象的動作。這種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于受設(shè)備價格、場地和管理等限制，學(xué)生需要分組分批進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)際動手能力得不到很好的鍛煉，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也不理想。

PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上發(fā)展而來的，它主要是采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法[3]，將三維的虛擬控制對象與PLC編程操作結(jié)合在一起，集成了程序的編寫、模擬調(diào)試和動畫演示等功能，具有很強(qiáng)的互動性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控組態(tài)軟件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同構(gòu)建PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。雖然這套PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，減輕實(shí)驗(yàn)室對硬件設(shè)備和場地的依賴，提高了實(shí)驗(yàn)的開放性和實(shí)時性。但由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只針對三菱PLC進(jìn)行梯形圖編輯及在線調(diào)試，學(xué)生在學(xué)PLC課程同時還要學(xué)組態(tài)軟件，這樣不但增加教師的教學(xué)任務(wù)量，同時還大幅提高課程的學(xué)習(xí)難度。

基于上述三種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，課程組成員聯(lián)合校企單位共同開發(fā)一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能支持3D虛擬對象還能控制實(shí)際被控對象?，F(xiàn)本文就介紹一種在該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。

2 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建框圖如圖1所示，學(xué)生先在STEP7或Works2軟件中編寫好PLC程序并進(jìn)行保存，然后通過數(shù)據(jù)線下載到類PLC，類PLC通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給虛擬被控對象或?qū)嶋H被控對象，被控對象在信號的控制下進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動，而虛擬或?qū)嶋H被控對象的運(yùn)行參數(shù)，反過來通過類PLC及接口板的處理反饋到程序中，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。我們圖中的類PLC及接口板是采用嵌入式技術(shù)開發(fā)的類似于PLC的實(shí)驗(yàn)裝置，它不但能同時支持虛擬和實(shí)際兩種被控對象，而且由于其成本低廉和體積小等特點(diǎn)，學(xué)生使用和攜帶都比較方便。

3 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)案例

根據(jù)PLC教學(xué)中或工業(yè)中較常用的控制對象，采用Unity3D軟件進(jìn)行液體混合裝置、十字路口交通燈、六路智能搶答器和三自由度機(jī)械手等15種虛擬控制對象的實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)。下面我們以“智能家居控制”實(shí)驗(yàn)為案例，介紹PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與使用方法?！爸悄芗揖涌刂啤睂?shí)驗(yàn)主要針對定時器指令編程，當(dāng)按下系統(tǒng)啟動按鈕后，電視機(jī)、窗簾和空調(diào)安裝一定時間間隔打開，按下停止按鈕關(guān)閉所有家電。首先學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)的控制要求，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行I/O表的分配及電路設(shè)計(jì)，具體步驟如圖2所示；接著在STEP7或WORKS2軟件中進(jìn)行PLC程序的編輯、編譯與保存，然后通過USB數(shù)據(jù)線將程序載入到類PLC中，類PLC通過處理將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給虛擬控制對象，而虛擬控制對象根據(jù)發(fā)送的指令進(jìn)行以動畫的形式實(shí)時表現(xiàn)程序的運(yùn)行結(jié)果，系統(tǒng)則根據(jù)運(yùn)行結(jié)果參照控制要求，自動給出正確或錯誤的提示說明。具體的調(diào)試結(jié)果如圖3所示，這樣的實(shí)驗(yàn)過程不但能讓學(xué)生不斷地進(jìn)行程序的修改、調(diào)試直至滿足控制要求，從而提高學(xué)生的PLC編程水平和解決問題的能力[5]，而且還能節(jié)省教師的檢查時間，提高課堂教學(xué)的有效性。

4 結(jié)語

該文介紹一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案和使用方法，它不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)I/O表的分配、電路的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且還能同時支持虛擬和實(shí)際兩種被控對象。該方案的實(shí)施，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，改變學(xué)生的實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)現(xiàn)移動式實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)際動手能力、改善了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖常初.S7300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 楊奕.PLC虛擬對象的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2005（34）：39-40.

[3] 王嘯東.PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012（9）：210-213.

[4] 王銘城.FX-TRN-BEG-CL仿真軟件在PLC教學(xué)中的作用[J].教師，2010（21）：73-74.

[5] 林育茲，鮑平.可編程序控制器原理及邏輯控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6] 三菱公司.系列PLC用戶手冊[M].上海：上海電機(jī)自動化（上海）有限公司，2005.endprint

摘 要：該文是依托PLC校教改課題和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，在分析三種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，該方案只需要計(jì)算機(jī)、類PLC和相關(guān)軟件就能完成PLC控制系統(tǒng)的I/O表分配、電路設(shè)計(jì)、程序的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是一種高效、價格低廉、訓(xùn)練效果良好的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室 STEP7或Works2軟件 類PLC 控制對象

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可編程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作為當(dāng)今工業(yè)自動化三大支柱之一，隨著PLC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，企業(yè)迫切需要大量PLC應(yīng)用技術(shù)人才[1]。目前各類高職院校都開設(shè)PLC課程，由于該課程是集理論基礎(chǔ)知識和實(shí)際操作技能于一體，實(shí)踐操作性很強(qiáng)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，需要學(xué)生根據(jù)各種工業(yè)控制對象的工作流程，通過觀察對象的動作情況來驗(yàn)證編寫的PLC程序是否正確。但由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的價格、體積和實(shí)驗(yàn)室管理等各種條件的限制，我們很難在實(shí)驗(yàn)室配備較全面的工業(yè)控制對象，因而制約了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量和質(zhì)量[2]。

隨著虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，我們可以充分利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)造各種模擬實(shí)際工業(yè)環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)對象，這樣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備價格和管理的限制，教師可以方便增加和更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且學(xué)生也可以不受時間和場地的限制，隨時隨地進(jìn)行PLC編程及調(diào)試，是一種新型和有效提高PLC教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、全實(shí)物的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等，這三種類型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在不同階段對學(xué)生的PLC編程能力、分析問題和解決問題的能力起著重要的推動作用。

PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不需要連接真實(shí)的CPU和控制對象，其主要是采用相關(guān)軟件對編寫的梯形圖進(jìn)行仿真運(yùn)行。首先學(xué)生在軟件上編寫PLC程序，然后將仿真調(diào)試軟件打開，把編寫好的梯形圖程序裝載并進(jìn)行仿真運(yùn)行。不同品牌PLC需要不同的仿真軟件，如三菱的GX Simulator6.0仿真軟件，支持三菱所有型號PLC；而西門子S7-PLCSIM仿真軟件，只支持西門子S7-300的PLC，如果學(xué)校PLC課程是以S7-200的PLC為學(xué)習(xí)的主體，那么這種仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就不能采用。

全實(shí)物的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要配置一定數(shù)量的PLC和各種實(shí)際被控對象。實(shí)際被控對象一般為廠家配備的實(shí)驗(yàn)操作面板或銑床、鏜床、機(jī)械手和物料分揀等實(shí)物裝置。在實(shí)踐的教學(xué)中，首先學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖把PLC的I/O端與輸入信號、被控對象進(jìn)行硬件連接，然后在電腦上編寫程序，并通過下載線把程序下載到PLC上，運(yùn)行程序并觀察實(shí)際被控對象的動作。這種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于受設(shè)備價格、場地和管理等限制，學(xué)生需要分組分批進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)際動手能力得不到很好的鍛煉，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也不理想。

PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上發(fā)展而來的，它主要是采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法[3]，將三維的虛擬控制對象與PLC編程操作結(jié)合在一起，集成了程序的編寫、模擬調(diào)試和動畫演示等功能，具有很強(qiáng)的互動性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控組態(tài)軟件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同構(gòu)建PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。雖然這套PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，減輕實(shí)驗(yàn)室對硬件設(shè)備和場地的依賴，提高了實(shí)驗(yàn)的開放性和實(shí)時性。但由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只針對三菱PLC進(jìn)行梯形圖編輯及在線調(diào)試，學(xué)生在學(xué)PLC課程同時還要學(xué)組態(tài)軟件，這樣不但增加教師的教學(xué)任務(wù)量，同時還大幅提高課程的學(xué)習(xí)難度。

基于上述三種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，課程組成員聯(lián)合校企單位共同開發(fā)一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能支持3D虛擬對象還能控制實(shí)際被控對象?，F(xiàn)本文就介紹一種在該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。

2 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建框圖如圖1所示，學(xué)生先在STEP7或Works2軟件中編寫好PLC程序并進(jìn)行保存，然后通過數(shù)據(jù)線下載到類PLC，類PLC通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給虛擬被控對象或?qū)嶋H被控對象，被控對象在信號的控制下進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動，而虛擬或?qū)嶋H被控對象的運(yùn)行參數(shù)，反過來通過類PLC及接口板的處理反饋到程序中，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。我們圖中的類PLC及接口板是采用嵌入式技術(shù)開發(fā)的類似于PLC的實(shí)驗(yàn)裝置，它不但能同時支持虛擬和實(shí)際兩種被控對象，而且由于其成本低廉和體積小等特點(diǎn)，學(xué)生使用和攜帶都比較方便。

3 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)案例

根據(jù)PLC教學(xué)中或工業(yè)中較常用的控制對象，采用Unity3D軟件進(jìn)行液體混合裝置、十字路口交通燈、六路智能搶答器和三自由度機(jī)械手等15種虛擬控制對象的實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)。下面我們以“智能家居控制”實(shí)驗(yàn)為案例，介紹PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與使用方法?！爸悄芗揖涌刂啤睂?shí)驗(yàn)主要針對定時器指令編程，當(dāng)按下系統(tǒng)啟動按鈕后，電視機(jī)、窗簾和空調(diào)安裝一定時間間隔打開，按下停止按鈕關(guān)閉所有家電。首先學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)的控制要求，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行I/O表的分配及電路設(shè)計(jì)，具體步驟如圖2所示；接著在STEP7或WORKS2軟件中進(jìn)行PLC程序的編輯、編譯與保存，然后通過USB數(shù)據(jù)線將程序載入到類PLC中，類PLC通過處理將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給虛擬控制對象，而虛擬控制對象根據(jù)發(fā)送的指令進(jìn)行以動畫的形式實(shí)時表現(xiàn)程序的運(yùn)行結(jié)果，系統(tǒng)則根據(jù)運(yùn)行結(jié)果參照控制要求，自動給出正確或錯誤的提示說明。具體的調(diào)試結(jié)果如圖3所示，這樣的實(shí)驗(yàn)過程不但能讓學(xué)生不斷地進(jìn)行程序的修改、調(diào)試直至滿足控制要求，從而提高學(xué)生的PLC編程水平和解決問題的能力[5]，而且還能節(jié)省教師的檢查時間，提高課堂教學(xué)的有效性。

4 結(jié)語

該文介紹一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案和使用方法，它不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)I/O表的分配、電路的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且還能同時支持虛擬和實(shí)際兩種被控對象。該方案的實(shí)施，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，改變學(xué)生的實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)現(xiàn)移動式實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)際動手能力、改善了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖常初.S7300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 楊奕.PLC虛擬對象的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2005（34）：39-40.

[3] 王嘯東.PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012（9）：210-213.

[4] 王銘城.FX-TRN-BEG-CL仿真軟件在PLC教學(xué)中的作用[J].教師，2010（21）：73-74.

[5] 林育茲，鮑平.可編程序控制器原理及邏輯控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6] 三菱公司.系列PLC用戶手冊[M].上海：上海電機(jī)自動化（上海）有限公司，2005.endprint

摘 要：該文是依托PLC校教改課題和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，在分析三種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案，該方案只需要計(jì)算機(jī)、類PLC和相關(guān)軟件就能完成PLC控制系統(tǒng)的I/O表分配、電路設(shè)計(jì)、程序的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是一種高效、價格低廉、訓(xùn)練效果良好的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室 STEP7或Works2軟件 類PLC 控制對象

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可編程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作為當(dāng)今工業(yè)自動化三大支柱之一，隨著PLC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，企業(yè)迫切需要大量PLC應(yīng)用技術(shù)人才[1]。目前各類高職院校都開設(shè)PLC課程，由于該課程是集理論基礎(chǔ)知識和實(shí)際操作技能于一體，實(shí)踐操作性很強(qiáng)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，需要學(xué)生根據(jù)各種工業(yè)控制對象的工作流程，通過觀察對象的動作情況來驗(yàn)證編寫的PLC程序是否正確。但由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的價格、體積和實(shí)驗(yàn)室管理等各種條件的限制，我們很難在實(shí)驗(yàn)室配備較全面的工業(yè)控制對象，因而制約了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量和質(zhì)量[2]。

隨著虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，我們可以充分利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)造各種模擬實(shí)際工業(yè)環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)對象，這樣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備價格和管理的限制，教師可以方便增加和更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且學(xué)生也可以不受時間和場地的限制，隨時隨地進(jìn)行PLC編程及調(diào)試，是一種新型和有效提高PLC教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、全實(shí)物的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等，這三種類型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在不同階段對學(xué)生的PLC編程能力、分析問題和解決問題的能力起著重要的推動作用。

PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不需要連接真實(shí)的CPU和控制對象，其主要是采用相關(guān)軟件對編寫的梯形圖進(jìn)行仿真運(yùn)行。首先學(xué)生在軟件上編寫PLC程序，然后將仿真調(diào)試軟件打開，把編寫好的梯形圖程序裝載并進(jìn)行仿真運(yùn)行。不同品牌PLC需要不同的仿真軟件，如三菱的GX Simulator6.0仿真軟件，支持三菱所有型號PLC；而西門子S7-PLCSIM仿真軟件，只支持西門子S7-300的PLC，如果學(xué)校PLC課程是以S7-200的PLC為學(xué)習(xí)的主體，那么這種仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就不能采用。

全實(shí)物的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要配置一定數(shù)量的PLC和各種實(shí)際被控對象。實(shí)際被控對象一般為廠家配備的實(shí)驗(yàn)操作面板或銑床、鏜床、機(jī)械手和物料分揀等實(shí)物裝置。在實(shí)踐的教學(xué)中，首先學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖把PLC的I/O端與輸入信號、被控對象進(jìn)行硬件連接，然后在電腦上編寫程序，并通過下載線把程序下載到PLC上，運(yùn)行程序并觀察實(shí)際被控對象的動作。這種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于受設(shè)備價格、場地和管理等限制，學(xué)生需要分組分批進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)際動手能力得不到很好的鍛煉，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也不理想。

PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上發(fā)展而來的，它主要是采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法[3]，將三維的虛擬控制對象與PLC編程操作結(jié)合在一起，集成了程序的編寫、模擬調(diào)試和動畫演示等功能，具有很強(qiáng)的互動性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控組態(tài)軟件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同構(gòu)建PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。雖然這套PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，減輕實(shí)驗(yàn)室對硬件設(shè)備和場地的依賴，提高了實(shí)驗(yàn)的開放性和實(shí)時性。但由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只針對三菱PLC進(jìn)行梯形圖編輯及在線調(diào)試，學(xué)生在學(xué)PLC課程同時還要學(xué)組態(tài)軟件，這樣不但增加教師的教學(xué)任務(wù)量，同時還大幅提高課程的學(xué)習(xí)難度。

基于上述三種PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，課程組成員聯(lián)合校企單位共同開發(fā)一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能支持3D虛擬對象還能控制實(shí)際被控對象?，F(xiàn)本文就介紹一種在該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。

2 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建框圖如圖1所示，學(xué)生先在STEP7或Works2軟件中編寫好PLC程序并進(jìn)行保存，然后通過數(shù)據(jù)線下載到類PLC，類PLC通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給虛擬被控對象或?qū)嶋H被控對象，被控對象在信號的控制下進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動，而虛擬或?qū)嶋H被控對象的運(yùn)行參數(shù)，反過來通過類PLC及接口板的處理反饋到程序中，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。我們圖中的類PLC及接口板是采用嵌入式技術(shù)開發(fā)的類似于PLC的實(shí)驗(yàn)裝置，它不但能同時支持虛擬和實(shí)際兩種被控對象，而且由于其成本低廉和體積小等特點(diǎn)，學(xué)生使用和攜帶都比較方便。

3 PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)案例

根據(jù)PLC教學(xué)中或工業(yè)中較常用的控制對象，采用Unity3D軟件進(jìn)行液體混合裝置、十字路口交通燈、六路智能搶答器和三自由度機(jī)械手等15種虛擬控制對象的實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)。下面我們以“智能家居控制”實(shí)驗(yàn)為案例，介紹PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與使用方法。“智能家居控制”實(shí)驗(yàn)主要針對定時器指令編程，當(dāng)按下系統(tǒng)啟動按鈕后，電視機(jī)、窗簾和空調(diào)安裝一定時間間隔打開，按下停止按鈕關(guān)閉所有家電。首先學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)的控制要求，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行I/O表的分配及電路設(shè)計(jì)，具體步驟如圖2所示；接著在STEP7或WORKS2軟件中進(jìn)行PLC程序的編輯、編譯與保存，然后通過USB數(shù)據(jù)線將程序載入到類PLC中，類PLC通過處理將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給虛擬控制對象，而虛擬控制對象根據(jù)發(fā)送的指令進(jìn)行以動畫的形式實(shí)時表現(xiàn)程序的運(yùn)行結(jié)果，系統(tǒng)則根據(jù)運(yùn)行結(jié)果參照控制要求，自動給出正確或錯誤的提示說明。具體的調(diào)試結(jié)果如圖3所示，這樣的實(shí)驗(yàn)過程不但能讓學(xué)生不斷地進(jìn)行程序的修改、調(diào)試直至滿足控制要求，從而提高學(xué)生的PLC編程水平和解決問題的能力[5]，而且還能節(jié)省教師的檢查時間，提高課堂教學(xué)的有效性。

4 結(jié)語

該文介紹一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案和使用方法，它不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)I/O表的分配、電路的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且還能同時支持虛擬和實(shí)際兩種被控對象。該方案的實(shí)施，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，改變學(xué)生的實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)現(xiàn)移動式實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)際動手能力、改善了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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