虛實(shí)結(jié)合的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)計(jì)

熊先鋒 楊國(guó)志 呂幫俊

海軍工程大學(xué) 湖北武漢 430033

可編程控制器(Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合在一起的自動(dòng)控制設(shè)備，具有可靠性高、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，保證其在溫度和濕度較高、空間較小、工作環(huán)境惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。

大部分學(xué)校的工科專業(yè)將PLC的原理與應(yīng)用技術(shù)作為重要課程內(nèi)容講述。為配合PLC原理與應(yīng)用技術(shù)的課堂教學(xué)，各高校一般采用可編程控制實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以輔助學(xué)生更好地掌握其基本知識(shí)，幫助學(xué)生加深對(duì)PLC性能、特點(diǎn)、指令的理解，更加熟練掌握PLC的編程方法和編程技巧。建立一個(gè)專門的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)室費(fèi)用很高，而且由于PLC技術(shù)本身的發(fā)展很快，實(shí)驗(yàn)室整體升級(jí)的成本壓力也很大。而虛擬實(shí)驗(yàn)儀器正逐步應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域的模擬仿真，用虛擬實(shí)驗(yàn)取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能在一定程度上消除實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足，實(shí)驗(yàn)儀器不夠用，價(jià)格昂貴等諸多因素對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)造成的不良影響。但是，PLC原理與應(yīng)用技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，如果完全采用虛擬實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生理論與實(shí)踐學(xué)習(xí)仍然脫節(jié)，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。為此，如果采用虛實(shí)結(jié)合的方法設(shè)計(jì)PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，不僅可節(jié)約實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用，而且可以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

1 應(yīng)用背景

為配合PLC原理與應(yīng)用技術(shù)課程的課堂教學(xué)，我校訂購了一批專用PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，但在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，由于參訓(xùn)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)差別較大，需要按照學(xué)生來源和各專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)制訂相應(yīng)的教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)方法，同一種實(shí)驗(yàn)儀器很難完全滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。另外，由于每季參訓(xùn)學(xué)生數(shù)量變化非常大，如果按照最多人數(shù)購買儀器，會(huì)造成很大的浪費(fèi)，同時(shí)給實(shí)驗(yàn)室建設(shè)形成壓力，但如果訂購的儀器數(shù)量不足，會(huì)造成教學(xué)資源不足等問題。

為解決這些實(shí)際問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種虛實(shí)結(jié)合的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器以實(shí)為主，虛實(shí)結(jié)合。實(shí)驗(yàn)儀器包括計(jì)算機(jī)和PLC實(shí)驗(yàn)箱兩部分，在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)為學(xué)生提供和PLC編程軟件相同的編程環(huán)境編寫源程序，學(xué)生可在不接PLC實(shí)驗(yàn)箱的情況下運(yùn)行虛擬程序，虛擬程序可模擬PLC實(shí)驗(yàn)箱面板上所有的開關(guān)和信號(hào)燈，學(xué)生可根據(jù)需要進(jìn)行虛擬操作，并可在計(jì)算機(jī)虛擬面板上檢驗(yàn)查看運(yùn)行結(jié)果，還可根據(jù)運(yùn)行結(jié)果在線修改源程序。另外，在編程環(huán)境軟件進(jìn)一步優(yōu)化后，還可提示各種錯(cuò)誤信息和運(yùn)行狀態(tài)信息等。學(xué)生在掌握PLC編程的基本技術(shù)后，可采用實(shí)物PLC實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用網(wǎng)絡(luò)將自己的源程序傳輸?shù)浇佑蠵LC實(shí)驗(yàn)儀器的計(jì)算機(jī)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求正確接好每一根信號(hào)線，然后將源程序下載到PLC中運(yùn)行，利用實(shí)驗(yàn)儀器的面板開關(guān)和指示燈檢查自己的程序是否正確。

該虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器不僅可在沒有實(shí)物PLC實(shí)驗(yàn)箱的條件下，讓學(xué)生在虛擬仿真PLC編程環(huán)境中學(xué)會(huì)PLC的編程技術(shù)方法和技巧，還可讓學(xué)生在熟練掌握這些方法和技巧后，能結(jié)合實(shí)物PLC實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出的各種實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步鞏固所學(xué)的PLC工作原理和硬件接口等知識(shí)。

另外，該教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器可在已有PLC教學(xué)專用實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上擴(kuò)展，也可融入相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不需要太多硬件投入，大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用。

2 虛擬操作界面設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)儀器中虛擬操作界面是學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)需要操作的虛擬面板，所以其虛擬操作界面必須與實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器PLC實(shí)驗(yàn)箱面板具有相同的控制和顯示功能。學(xué)生利用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板上的開關(guān)和接線，根據(jù)虛擬PLC程序的運(yùn)行情況，虛擬面板上指示燈給出相應(yīng)的變化，實(shí)現(xiàn)與實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器完全相同的操作與顯示。

2.1 基礎(chǔ)界面設(shè)計(jì)

虛擬界面需要對(duì)實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器PLC實(shí)驗(yàn)箱的面板盡量模擬得真實(shí)和美觀。CorelDraw是一款繪圖與排版軟件，界面設(shè)計(jì)友好，操作精微細(xì)致，它是基于矢量圖的繪圖軟件，被廣泛應(yīng)用于商標(biāo)設(shè)計(jì)、標(biāo)志制作、模型繪制、插圖描畫、排版及分色輸出等諸多領(lǐng)域。因此本文采用CorelDraw軟件繪制虛擬界面圖。

CorelDraw軟件繪制虛擬界面不包括各種開關(guān)按鍵和指示燈，因?yàn)殚_關(guān)按鍵和指示燈可分別操作或顯示，其效果圖如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)界面圖

2.2 控件設(shè)計(jì)

虛擬界面上不僅有需要操作的控件，而且有顯示的控制。操作顯示控件設(shè)計(jì)是虛擬實(shí)驗(yàn)儀界面設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一，它不僅是虛擬儀器界面不可或缺的組成部分，而且在虛擬操作時(shí)具有數(shù)據(jù)輸入輸出的功能，使得虛擬儀器具有虛擬操作和顯示的功能。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器PLC實(shí)驗(yàn)箱面板上主要有3類控制和顯示的元件，分別是開關(guān)按鍵、LED燈和角度轉(zhuǎn)盤。為模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器PLC實(shí)驗(yàn)箱面板上的各種開關(guān)按鍵、指示燈和角度轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要利用CorelDraw軟件繪制與實(shí)驗(yàn)儀器操作面板上完全相同的開關(guān)按鍵、指示燈和角度轉(zhuǎn)盤，包括開關(guān)狀態(tài)位置和指示燈顯示不同顏色的圖片，再利用GLStudio和Visual C++軟件編寫操作界面上按鈕及儀表的控件，最后將其組合成完整的虛擬實(shí)驗(yàn)儀界面。

本文以綠色按鍵為例說明控件設(shè)計(jì)。圖2是利用CorelDraw軟件繪制的綠色按鍵的兩種不同狀態(tài)的圖像，其中a是按鍵開關(guān)斷開狀態(tài)，b是按鍵開關(guān)接通狀態(tài)，2種狀態(tài)的切換是以鼠標(biāo)單擊為條件。編寫控件的方法是，通過GLStudio將這2種狀態(tài)的圖片疊加，再用VC軟件定義按鍵2種狀態(tài)的輸入輸出變量并對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行賦值，然后定義“單擊事件”并進(jìn)行事件編程，編譯得到綠色按鍵的控件，其運(yùn)行效果是在按鍵上單擊鼠標(biāo)左鍵能夠讓按鍵在兩種狀態(tài)下切換，且該控件不僅能通過鼠標(biāo)左鍵進(jìn)行狀態(tài)切換，也可以通過程序改寫其內(nèi)部狀態(tài)變量而改變其狀態(tài)。如圖2所示。

其他按鍵以及電源按鍵的設(shè)計(jì)方法與上述按鍵的設(shè)計(jì)方法完全相同。

轉(zhuǎn)盤控件的設(shè)計(jì)與按鍵不同，它需要達(dá)到的效果是能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不再僅僅是兩種狀態(tài)的切換。轉(zhuǎn)盤控件不僅要模擬最終角度的變化，而且還需要模擬轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的角度和角速度。轉(zhuǎn)盤控件的編寫方法是，按照實(shí)際比例繪制出轉(zhuǎn)盤，通過GLStudio將圖片關(guān)聯(lián)到轉(zhuǎn)角變量，然后通過在VC中調(diào)用相關(guān)的響應(yīng)函數(shù)控制轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)角度可由轉(zhuǎn)角變量指定。另外，為達(dá)到模擬角速度和角加速度的效果，需要PLC控制電機(jī)時(shí)采用路徑規(guī)劃模式，所以要在控件設(shè)計(jì)過程中給出該模式數(shù)據(jù)的接口，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。再通過VC對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的編程，得到通用的轉(zhuǎn)盤控件。轉(zhuǎn)盤控件的效果圖如圖3所示。

2.3 完整虛擬界面

在基礎(chǔ)界面和所有控件設(shè)計(jì)完成后，按照教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器PLC實(shí)驗(yàn)箱面板上相關(guān)元件的位置將按鍵控件、轉(zhuǎn)盤控件與基礎(chǔ)界面進(jìn)行組合，得到如圖4所示的虛擬界面整體效果圖。

圖4 虛擬界面圖

與真實(shí)儀器一樣，虛擬界面同樣有紅色按鍵、黃色按鍵、綠色按鍵、轉(zhuǎn)盤、LED燈以及電源開關(guān)等，并與實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器PLC實(shí)驗(yàn)箱面板所對(duì)應(yīng)元件具有完全相同的功能。由于虛擬界面各按鍵和指示燈并沒有實(shí)際接線，而僅僅是邏輯變量，所以可以進(jìn)行多種不同的組合，使得虛擬界面具有比實(shí)際PLC實(shí)驗(yàn)箱面板更加豐富的控制功能。

3 控制程序設(shè)計(jì)

虛實(shí)結(jié)合的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器控制程序不僅需要具備虛擬實(shí)驗(yàn)的模擬能力，還要能與實(shí)物PLC連接，進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，因而還要具有實(shí)驗(yàn)類型和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇能力和相關(guān)邏輯判斷能力。

根據(jù)教學(xué)目的要求，該P(yáng)LC教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器至少需要模擬實(shí)物PLC實(shí)驗(yàn)儀中的4種實(shí)驗(yàn)，分別是流水燈實(shí)驗(yàn)，交通燈實(shí)驗(yàn)，步進(jìn)電機(jī)模型實(shí)驗(yàn)，電梯模型實(shí)驗(yàn)，這4個(gè)實(shí)驗(yàn)由易到難，涵蓋了PLC的主要使用功能，可滿足不同類型教學(xué)的需要。

受教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器PLC實(shí)驗(yàn)箱面板大小和內(nèi)部線路布置的約束，實(shí)物實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很難進(jìn)行拓展。而虛擬實(shí)驗(yàn)并不受面板開關(guān)按鍵數(shù)量和接線布置等因素的影響，在適當(dāng)?shù)臈l件下可隨時(shí)進(jìn)行拓展。學(xué)生可依此平臺(tái)自行設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)，而且沒有損壞儀器設(shè)備的危險(xiǎn)。虛實(shí)結(jié)合的PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器不僅豐富了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，而且很大程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分挖掘?qū)W生潛力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

整體程序的設(shè)計(jì)采用了選擇結(jié)構(gòu)框架，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))是一個(gè)程序開發(fā)環(huán)境，類似于C，BASIC。LabVIEW的特點(diǎn)在于，它使用圖形化編程語言G在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非使用基于文本的語言來產(chǎn)生源程序代碼。LabVIEW還整合了與諸如滿足GPIB，VXI，RS-232和RS-485以及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通訊的全部功能。雖然LabVIEW是一個(gè)通用編程系統(tǒng)，但是它也包含為數(shù)據(jù)采集和儀器控制特別設(shè)計(jì)的函數(shù)庫和開發(fā)工具。LabVIEW程序被稱為虛擬儀器(VIs)，是因?yàn)樗耐庥^和操作可模仿實(shí)際的儀器。由于本文設(shè)計(jì)的教學(xué)虛擬儀器將與PLC進(jìn)行串口通信，而LabVIEW提供了通用的串口通信模塊，使得其接口通信十分方便，且采用LabVIEW很容易利用已繪制的界面和設(shè)計(jì)的多種控件，大大縮短程序設(shè)計(jì)周期。

因?yàn)橥粫r(shí)刻只能進(jìn)行一類實(shí)驗(yàn)，所以在程序設(shè)計(jì)上，4類實(shí)驗(yàn)的選擇是并列的，該類實(shí)驗(yàn)的各個(gè)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間也是并列的。由于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目程序編寫情況類似，在此僅給出電梯模型實(shí)驗(yàn)呼叫等待模式的程序框圖，如圖6所示。

4 結(jié)束語

筆者介紹了利用虛實(shí)結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)。學(xué)生不僅可在虛擬實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行PLC的編程學(xué)習(xí)，而且可以在所有操作方法不變的情況下，進(jìn)行PLC的實(shí)物學(xué)習(xí)。實(shí)踐證明，使用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器能以較低的成本達(dá)到較高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同時(shí)因其在一定程度上不受原實(shí)物實(shí)驗(yàn)儀器輸入輸出信號(hào)的限制，擴(kuò)展性好，可以更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)儀器的作用。

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