基于組態軟件的PLC仿真教學系統的設計與開發

申海

摘要：在目前的PLC實驗教學中，實驗箱和實訓臺等實驗設備的硬件連線已經搭接完成，學生每次實驗只需完成固定的實驗內容，編寫固定的程序即可。此類實驗對學生在PLC性能及相關應用的理解上有很大影響，且不能很好地滿足教學靈活性要求。針對此現狀，本論文提出將組態軟件應用到PLC教學中，即基于組態軟件，在計算機上實現PLC控制對象的全真模擬，并通過PLC控制程序實現對模擬被控對象的控制。經過教學實踐，此仿真方法不僅可行，且為PLC教學提供了極大的靈活性，有效提高了教學質量和教學效率。

關鍵詞：組態軟件；仿真；PLC控制系統

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0265-02

在科學技術飛速發展的今天，在鋼鐵、石化、機械制造、電子信息諸如此類的工業生產中，可編程邏輯控制器被大量應用且已經成為不可缺少的重要部分。最初，可編程邏輯控制器只是簡單應用在開關量的邏輯控制中，但伴隨著相關技術的發展，它的應用也慢慢覆蓋了大多領域。如今，PLC可以實現開關量控制、模擬量和數字量的控制，實現數據存儲、監控和聯網等功能。PLC的廣泛應用也使得PLC的教學更加有意義，也更加重要。

當前，PLC實驗教學面臨著實訓臺和實驗設備體積過大、價格高昂、實驗項目不靈活等各種問題，使得大部分高校都不能真正滿足PLC教學的要求。目前，高校PLC教學只能保證基礎實驗教學，缺少相關的綜合設計，這在很大程度上嚴重制約了學生對PLC的學習和運用需要。

為了解決以上相關問題，高校教學可運用虛擬實驗系統，即利用計算機軟件設計若干控制對象的軟模型來模擬仿真工業控制系統，然后通過PLC控制程序進行控制。這種一體機的仿真操作方法會使PLC的教學更具備靈活性、生動性，同時也更加容易被學生理解并在將來拓展應用。同時，也解決了實驗設備體積過大不易實驗、價格高昂等問題，節省了人力物力。

本論文提出的仿真教學系統，借助計算機來確定實際工程的工藝流程和監控界面，通過與編程軟件建立通訊連接，然后發送相應的操作指令，即可在本機觀測到工作狀態和控制情況，由此理解所學的教學內容，以及接下來需要操作的部分。

本論文提出的仿真系統可完成傳統實驗箱和實訓臺所包含的所有實驗項目，大大提高了教學質量和教學效率，更為學生今后的就業提供了夯實的知識和實踐基礎。

一、PLC仿真系統設計方法

利用組態軟件設計PLC實驗裝置的虛擬仿真控制對象就是在計算機上運行實驗之前預先編寫完成的組態應用程序，利用軟件替代硬件（被控對象）所進行的工作，并通過在計算機的顯示屏幕以動畫、數值、文字等形式所表現出來的PLC控制的過程與結果。通過計算機模擬被控對象，可以很好地解決PLC實驗教學中，學生對被控過程理解程度不深，如何完成整個控制過程的茫然性等問題。

在本論文提出的仿真系統中，主要通過四個軟件實現仿真功能：組態王、NettoPlcsim、PLC編程軟件以及PLCSIM。其中，組態王軟件為上位機軟件，完成被控對象模型的仿真。PLC編程軟件位于下位機，用于編寫控制程序。NettoPlcsim可在上位機與下位機之間建立連接，從而實現組態軟件上位機與PLC下位機之間通訊。PLCSIM是模擬可編程控制器硬件的仿真軟件，它可以與PLC編程軟件集成，從而實現無硬件狀態的仿真模擬。

二、PLC仿真系統使用方法

利用本論文提出的仿真方法可以完成PLC教學的所有基本指令，包括位指令、定時器指令、計數器指令、傳送與比較指令、移位與轉換指令、數學運算指令及其他指令。本論文通過最基本的位邏輯指令詳細說明此仿真系統的使用方法。

位邏輯指令是PLC教學中的最基本的指令，主要包括常開、常閉、置位與復位和邊沿檢測等指令。教學方法為采用電動機實驗來完成上述指令的學習，實驗內容為利用PLC實現電動機點動，正轉、反轉、正反轉和順序啟動等控制。在仿真方法中實現此電動機實驗步驟如下：首先，在組態王軟件中設計相應的監控界面，包括相應的電動機，分別表示電動機正轉、反轉和停止的按鈕；然后，在PLC編程軟件中設計控制電動機正反轉的控制程序；第三，按照仿真系統的連接方法，使PLC能夠和組態王之間進行正常通信；最后，運行組態王的監控界面。當按下正轉按鈕時，電機進行正轉操作。當按下反轉按鈕時，電機進行反轉操作。一旦按下停止按鈕，電動機停止工作。

三、綜合實驗開發實例

利用組態軟件的PLC仿真教學除了可以完成基礎實驗，還可以完成很多綜合性實驗，如LED數碼顯示、天塔之光、裝配流水線、運料小車、自動配料/四節傳送帶、機械手，十字路口交通燈控制、郵件分揀系統、自動售貨機控制、四層電梯控制和舞臺燈光模擬控制等實驗。

1.濃度檢測實驗。濃度檢測工作在工業中經常應用，如對于裝修中的甲醇含量、空氣中的粉塵濃度、酒精濃度以及其他氣體物質的濃度，通常需要對其進行濃度測量，以確保濃度含量值在正常值范圍內，進而確保生產質量和生產安全。

對于此類實際工程，可按照工程要求設計如下仿真系統：在組態界面添加三個燈，分別表示低濃度、正常濃度和高濃度，再添加一個指示燈和一個表示濃度含量的容器。編寫好控制程序后，可按照連接步驟進行仿真實驗。利用此監控界面實現功能如下：當濃度是0—35時為低濃度，低濃度指示燈變綠，指示燈常亮；當濃度為36—70時，正常濃度指示燈燈變綠，指示燈以0.6Hz的頻率閃爍；當濃度為71—100時，高濃度指示燈變綠，指示燈以1Hz的頻率閃爍。

2.電動機綜合實驗。在工業控制中經常需要使用電動機，因此高校PLC實驗教學也都十分重視電動機實驗。但在傳統實驗中，需要實驗者在體積很大的電動機控制箱前按照實驗工作接線圖進行連線，操作煩瑣，一旦部分連線錯誤很難查找出出錯的部分，進而影響實驗效率。或是固化的實驗箱只能讓學生完成單純的電動機正反轉等簡單實驗。因此，高校教學可利用本論文的仿真方法來實現電動機的靈活性實驗教學，如多臺電動機順序啟停和定時控制、電動機往返運動和電動機調速等復雜實驗。

四、結束語

通過以上介紹可得出，利用本論文提出的組態軟件模擬控制對象的實驗教學方法，可輕松簡單地完成很多傳統實驗難以實現的操作，大大節省了人力物力，并可輕松引導學生學習PLC，也會讓學生更加深刻地理解和體會PLC的指令及其應用方法。另外，在本論文提出的PLC仿真實驗中有大量生動的工程圖片，可以快速地激發學生的學習興趣和熱情。通過將此PLC仿真教學應用于真正的實踐教學中，教學效果非常明顯，教學質量大幅度提高，教學內容也隨之增加。總之，PLC仿真教學模式可增強PLC實驗教學的效率，讓實驗更具靈活性，更能為學生打下良好的PLC知識和工程實踐基礎。

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Design and Development of PLC Simulation Teaching System Based on Configuration Software

SHEN Hai

（School of Physical Science and Technology，Shenyang Normal University，Shenyang，Liaoning 110034，China）

Abstract：In the PLC experimental teaching in the current experimental box and training platform of experimental equipment hardware has lap completed，each student is only required to complete the experiment experimental content fixed，written procedures can be fixed. This kind of experiment for the students in the application of PLC and related properties have great influence on the understanding，and not well to meet the teaching requirements. For the flexibility of this present situation，this thesis puts forward the application of configuration software to the PLC teaching，which is based on PLC configuration software，realizing integral control object in computer simulation，simulation and control of the object through the PLC control program. Through the teaching practice，this simulation The method is not only feasible，but also provides a great flexibility for PLC teaching，which effectively improves the teaching quality and teaching efficiency.

Key words：configuration software；simulation；PLC control system