仿真技术在PLC教学中的应用

仿真技术在PLC教学中的应用

作者：郭丙君

来源：《教育教学论坛》2013年第44期

摘要：仿真技术是一门多学科的综合性技术，将PLC技术与工业组态技术及网络技术相结合，开发了10个典型的工程应用背景的实验项目，在学生设计和应用过程中，提高了学生的学习兴趣，提高了教学效果。

关键词：PLC技术；工业组态技术；网络技术

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）44-0175-03 一、概述

可编程控制器（PLC）在工业控制中得到了广泛的应用。一方面，PLC技术和网络技术的结合是目前的PLC技术主流，另一方面，在工业系统中，PLC的应用规模越来越广泛，在工业现场越来越广泛地应用组态技术来实时地了解工业对象的实时运行情况。目前PLC技术与工业组态技术及网络技术的融合是技术发展的趋势。各大高校普遍开设PLC课程，PLC课程是一门实践性很强的学科，目前在高校的相关实验教学中比较普遍的实验手段是：通常用比较简单的硬件来模拟实际的工业对象，例如用灯来模拟实际的动作（典型的产品如求是公司或者天煌公司开发的相关实验装备），导致了实验不直观。实验往往是单纯的PLC与计算机的连接，通过上位计算机相关软件进行编程，然后把程序传到PLC中进行调试。这种实验方法，对于提高学生的兴趣和培养学生实践动手能力是比较困难的。将PLC技术与工业组态技术及网络技术的相融合，并应用到教学中是目前值得探讨的重要问题，一方面，仿真技术在目前可以很好的弥补客观条件的不足，提出了真实现场实物演示的教学模式，有利于提高PLC课程教学的教学水平。另一方面，在课程设计及毕业设计中应用PLC技术与工业组态技术及网络技术开发相应的实验装置也可以锻炼学生的工程实践能力。应该指出：目前国内外的组态软件产品是很多的，而且各有特点，国产的组态王应用软件已经得到了广泛的使用，是很有特点的，使用也简便，这里选用组态王软件来开发仿真实验。 二、实现方法

仿真控制系统的硬件由组态王软件、计算机、PLC、触摸屏、通讯电缆等组成，如图1所示。

图1 仿真控制系统软硬件系统组成

实现这个仿真实验平台的基本方法是：在上位机中用组态王软件来完成控制画面的制作，并在组态王的数据库中定义相关的变量，再将控制画面中的图素进行动画连接，最后调试并运行。下位机一般建议选用具有可靠性高、通用性强、扩展方便、使用方便的工业中广泛使用具

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有代表性的PLC就可以了。通常组态王软件与三菱FX2N-48MR PLC之间实现通讯的方法是：三菱FX2N-48MR PLC采用RS485进行通讯，它要占用计算机的一个串行口，在不添加扩展卡的情况下将使用PLC编程口和计算机进行通讯，这是比较经济的方法。显然，FX2N系列PLC的编程软件为GX-developer，和其他PLC的编程软件相似，可以实现PLC与计算机之间通信、编程、参数设定、监控等相关的操作。具体的实现过程是：在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备”大纲项下PLC与上位计算机所连串口，进行相应的参数设置。FX2N-48MR PLC编程口的通讯COM口参数设置是：波特率为9600bps，数据长度为7，停止位长度为1，用奇校验，通信方式为RS485 4W。然后在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设COM口对应的“新建”图标，会弹出“设备配置向导”对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。利用设备配置向导就可以完成串行通讯方式的I/O设备安装。在配置过程中，用户需选择I/O设备的生产厂家、设备型号、连接方式，为设备指定？个逻辑设备名，设定设备地址。数据库是组态王软件的核心部分，在工程管理器中，选择“数据库/数据词典”，双击“新建图标”，弹出“变量属性”对话框。定义三菱FX2N-48MR PLC相应寄存器。在组态王“画面”上创建相应的模拟工业现场的示意图，如建立输入或者输出设备，模拟工业现场的动态画面等，要注意定义相应的变量，并进行动画设计。在设计过程中建议使用演示功能，可以方便地测试设计的动态画面。启动组态王运行系统TOUCHVIEW，将PLC指向运行状态，即可观察系统的控制结果，在组态王环境下可以直观地体会实验效果，检验学生设计的控制程序的正确性。为了进一步模拟工业控制环境，可以选用触摸屏作为控制面板，建议选用比较流行的触摸屏型号，通过设置好指示灯及按钮和开关等元器件，就可以方便地实现类似于实验操作面板的功能。根据介绍的设计方法，在组织学生进行实验开发的过程中，设计出了10个实验项目：（1）运料小车模拟控制，（2）混料罐模拟控制，（3）反应炉模拟控制，（4）电梯模拟控制，（5）运料小车模拟控制，（6）输送带模拟控制，（7）喷漆模拟控制，（8）排污模拟控制，（9）喷水池模拟控制，（10）压模模拟控制等10个控制对象，目前已经成功地实现了相关的控制功能，控制效果十分逼真。今后我们设想根据工业应用的不断深入，将逐步改变控制方式。如果引入网络控制技术，对于实验室的所有控制对象用PLC网络技术进行改造，将进一步体现技术发展的趋势。 三、教学方法

在PLC课程教学中应用仿真技术的教学方法，可以从确定仿真教学的目标、转变教师的教学方式、突出教学的实践环节三个方面入手。

1.确定教学目标。仿真技术在PLC教学中的应用，确定仿真技术教学的目标是关键。在PLC教学中应该先介绍具体的PLC硬件配置，设计原则和步骤等，然后进行控制系统的设计，设计完成以后利用仿真软件实现现场模拟。在设计PLC控制系统的过程中，应注意引用典型控制环节和不同的软件设计方法，要注意培养学生的理解和掌握PLC控制系统的设计技术。

2.转变教师的教学方式。转变教学方式是仿真技术在PLC教学中应用的重要环节。对于PLC教师而言，为实现仿真技术在PLC教学中的应用，应该转变传统的以课堂为主的教学方

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式，要综合应用各方面的资源，融合多种技术进行PLC教学。具体来说，PLC的仿真教学要确立学生的主体地位，教师在学生学习过程中加以适当的引导。在开发PLC仿真系统过程中教师要引导学生综合应用PLC技术与工业组态技术及网络技术进行训练，提高学生的设计能力和工程能力。这样通过转变学生的学习方式，可以实现PLC教学的教学目的。

3.突出教学的实践环节。突出教学的实践环节，以项目为载体来组织教学，可以使仿真技术在PLC教学中取得事半功倍的效果。PLC课程与工程实际联系紧密，在总课时不增加的情况下，可以减少课堂教学课时，增加实践性教学环节课时，强化实践性教学环节。要因材施教，一方面组织部分能力强的学生进行开发PLC仿真系统的设计，使得学生体验设计的整个过程，培养学生的综合应用知识的能力，增强学生的工程意识。另一方面组织部分学生进行仿真系统实验教学，要求学生应用不同的PLC软件设计方法，实现PLC控制设计，可以有效地突破场地和经费的限制。目前已经开发出典型的10个工业对象，可以实现真实的工业对象的功能，要求学生在开发的仿真实验装置上，通过进行相关的实验过程来设计或者验证理论的正确性。在学生进行实验过程中，建议不必为其提供程序，不过可以先通过计算机屏幕为学生展示开发好的演示控制过程，使学生对自己将要控制的工业对象的实际工作情况有个实际的理解，通过形象化的动画来表达工业工作。具体实验步骤建议如下：①可以要求学生对于每个实验所给出的控制要求设计出PLC输入输出表或者画出输入输出接线图，进一步设计出PLC原理图和控制程序流程图，使得学生学会PLC的实际接线图的绘制。②应用三菱编程软件GX-developer在计算机上输入程序。可要求学生分组使用不同的算法和程序设计方法来设计，但最终要实现所规定的控制功能。③PLC控制系统程序调试。首先，利用GX-developer编程软件中的“编译”命令，检查PLC程序是否有语法错误，如果没有再将程序下载到PLC中，建议利用PLC编程软件中的“监控”命令来调试PLC程序。④联机实验。建议先运行开发好的演示画面，然后运行仿真画面，可比较形象直观地观察PLC被控对象的实际工作情况，由此也可验证所设计PLC程序的正确性。

PLC技术与工业组态技术及网络技术的融合是技术发展的趋势。将PLC技术与工业组态技术及网络技术应用于PLC教学实验，解决了难以在实验室里装备具体控制对象及具体控制对象无法适应新技术的发展趋势等问题。此外，仿真实验的开发还可在教师的科研中发挥作用，可以将类似的技术应用到工业控制的开发中。通过组织学生所开发的10个具有典型工程应用背景的实验项目，使得学生体会到了技术发展的趋势，引起了学生极大的兴趣，提高了学生的实践能力。 参考文献：

[1]何鸿鲲.基于PLC交通信号灯控制系统在组态王中的实现[J].河北理工学院学报，2003，（25），29-32.

[2]北京亚控.组态王6.5使用手册及帮助.2007[Z].

[3]王春生.基于组态王的PLC教学系统[J].广西轻工业，2009，（4）：92-93.

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[4]刘光石.通信网络仿真软件应用研究信息网络安全，2012，（4）：81-84.

[5]张金果；孙和茹；李洪涛；王瑞雪；浅谈PLC实验教学的改革[J].黑龙江科技信息，2008，（11）.

作者简介：郭丙君（1962-），男，博士，教授，研究方向：先进控制、工业电气自动化及仿真、电力电子与电力传动、工业过程模型化与控制。