高校機電類專業PLC多層次實驗教學平臺的建設

許樹業 沈林勇

摘要：提出了在PLC課程學習的初級、中級和高級階段分別按PLC-PT整體模擬模式、虛擬PLC-組態王模式和模塊化PLC教學實驗系統模式來建設的多層次實驗教學平臺方案。讓實驗系統的配制形式與學生對PLC知識掌握的程度相適應，使學生得到充分的PLC實訓的機會。

關鍵詞：實驗系統；虛擬實驗；虛擬PLC；組態軟件

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）17-0237-02

PLC（可編程控制器）是一種以計算機（微處理器）為核心的通用工業控制裝置，已廣泛應用于工業生產的各個領域。目前國內各高校機電類專業已普遍開設有PLC專業課程。它是一門對實踐性要求很強的課程，因此配套的PLC實驗教學平臺的建設就顯得非常重要。

PLC實驗教學平臺的建設涉及PLC開發調試環境、PLC設備以及控制元器件/控制對象等三個方面的配置。目前PLC實驗教學平臺常見有傳統實驗系統，仿真實驗系統和虛擬實驗系統等三種模式[1-4]。它們均針對PLC學習過程中的某一特定階段，本文提出一種與學生學習PLC不同階段的實驗能力相適應的多層次PLC實驗平臺的構建方案。

一、多層次實驗平臺的構建方案

多層次PLC實驗平臺的建設方案如表1所示。在PLC學習的初級、中級和高級階段，分別采用PLC-PT整體模擬、虛擬PLC+組態王和模塊化PLC教學實驗系統等相應的實驗模式，從而形成一個綜合的多層次實驗平臺，以適應各個階段學生的實驗能力，讓他們得到更充分實踐的機會。

多層次PLC實驗平臺主要基于OMRON CX-One 4.0軟件套件、FinsGateway2003和組態王6.55軟件等來構建。OMRON CX-One 4.0軟件套件是歐姆龍公司針對其PLC推出的集成軟件開發套件，它包括有編程調試環境CX-Programmer v9.03（文中簡稱CX-P）、PLC仿真器CX-Simulator v1.9（文中簡稱CX-Sim）以及NS系列可編程終端（PT）編程軟件CX-Designer v3.1（文中簡稱CX-D）等。FinsGateway2003為OMRON產品提供網絡驅動程序。組態王6.55是一款用于組態的工業自動化控制優秀國產軟件。組態王通過FinsGateway2003訪問虛擬PLC。

二、PLC-PT整體模擬模式

在PLC學習的初級階段，對于一些諸如啟保停電路的基礎PLC實驗采用“PLC-PT整體模擬”模式的實驗系統讓學生體會PLC的一些基本概念和原理。PLC-PT整體模擬模式是一種全虛擬的PLC實驗系統模式。在對PLC的I/O進行分配得基礎上，先讓學生基于NS系列可編程終端編程軟件CX-D的按鈕和指示燈等基本I/O元件來設計簡單的控制對象場景，然后在CX-P中輸入梯形圖程序，最后啟動CX-P的PLC-PT整體模擬功能。PLC-PT整體模擬會把梯形圖程序下載到CX-Sim仿真PLC中，并切換仿真PLC到運行模式來和CX-D一起整體模擬。

三、虛擬PLC+組態王模式

在PLC學習的中級階段，PLC實驗控制對象和場景趨于復雜，為了模擬實際的控制場景，很多PLC實驗需要用動畫來仿真。這個階段采用“虛擬PLC+組態王”實驗模式，它也是一種全虛擬的PLC實驗系統模式。該模式中用組態王軟件來設計實驗對象和場景，用CX-P來編輯梯形圖程序，用CX-Sim作為仿真PLC來實現梯形圖引擎。三者之間通過FinsGateway2003來通信。比如送料小車自動控制系統實驗[5]中用組態王設計的實驗仿真界面如圖1所示。

四、模塊化PLC教學實驗系統模式

在PLC課程的高級階段，學生對PLC的理解和應用達到了一定的高度，已不滿足于純虛擬的實驗環境。這時應該讓學生去接觸實際的PLC設備，用實際控制元件、傳感元件、執行件以及控制對象去接線、編程和調試。這個階段的實驗系統模式，可以基于簡化的工程案例的模塊化PLC教學實驗系統[6]來進行。

如圖2所示，模塊化PLC教學實驗系統按模塊化思想設計開發，集成了較為豐富的傳感器和執行器，實現了零件模擬加工、移載、根據材質對零件進行分揀和碼垛等功能。系統按功能劃分為送料單元、回轉單元、機械手A單元、加工單元、機械手B單元、分揀單元和碼垛單元等7個模塊。

五、結語

本文提出了在PLC課程學習的三個不同階段分別配備PLC-PT整體模擬模式、虛擬PLC-組態王模式和模塊化PLC教學實驗系統模式的多層次實驗教學平臺建設方案，讓實驗系統的配制形式與學生對PLC知識掌握的程度相適應，使學生得到充分的PLC實踐的機會。

PLC-PT整體模擬模式和虛擬PLC-組態王模式都是全虛擬的實驗系統模式，只要有計算機的地方都可構建，實驗實踐性和參與性較高。這2種模式的實驗比重占大部分，不涉及到實際PLC設備和電器元件，極大地降低了實驗操作安全風險。模塊化PLC教學實驗系統模式讓學生得到了真實PLC的操作實踐，同時因為實驗比重小，操作安全風險的次數少，實際設備的維護成本相應的也低。

筆者所在單位的PLC實驗教學平臺按這種多層次的方案建設，實踐中取得了不錯的效果。

參考文獻：

[1]歐意寶.PLC實驗系統構建模式研究[J].實驗室研究與探索，2010，29（9）：73-76.

[2]劉力.組態軟件在PLC實驗系統中的應用[J].實驗室研究與探索，2014，33（4）：127-129..

[3]賀世才.全虛擬PLC仿真系統在一體化教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2011，（16）：19-21.

[4]陳海生，鄭萍.組態軟件與三菱虛擬PLC通信構件的研究與實現[J].自動化儀表，2012，33（12）：21-24.

[5]徐世許，朱妙其，王毓順.可編程控制器—原理·應用·網絡[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2008.

[6]許樹業，米智楠，王志明，等.SIMENSS7_200PPI協議在機電一體教學實訓系統中的應用[J].機械設計與制造，2009，（9）：245-246.