基于組態(tài)技術(shù)的PLC等效電路虛實(shí)結(jié)合仿真設(shè)計(jì)

周英華 鄭川江 江麗麗

摘 ?要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，教學(xué)改革的不斷深入，特別是《電氣控制與PLC》這類(lèi)理實(shí)一體課程，常規(guī)單一的板書(shū)教學(xué)方式難以實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果，已不能適應(yīng)現(xiàn)代教育的需要。本文闡述了基于組態(tài)技術(shù)的PLC等效電路虛實(shí)結(jié)合仿真設(shè)計(jì)，應(yīng)用于教學(xué)中讓學(xué)生易懂、易學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬結(jié)合仿真技術(shù);PLC;等效電路

PLC（可編程控制器）是通用的工業(yè)用計(jì)算機(jī)，因其具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試方便、操作維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已取代常規(guī)控制電路，而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)化生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

對(duì)于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生和初學(xué)者來(lái)說(shuō)，由于缺乏計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)，抽象的教學(xué)內(nèi)容，難以理解PLC工作原理和工作過(guò)程，給學(xué)習(xí)帶來(lái)很大障礙。虛實(shí)結(jié)合的仿真技術(shù)可以逼真地模擬PLC等效電路工作過(guò)程，通過(guò)形象、生動(dòng)、具體的模擬情景有利于學(xué)生掌握和深入理解PLC的工作方式、編程方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生動(dòng)手操作的積極性和學(xué)習(xí)效果。

本文基于組態(tài)技術(shù)以三菱PLC控制三相電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，5S后自動(dòng)停止運(yùn)行為例，設(shè)計(jì)了PLC等效電路虛實(shí)結(jié)合仿真系統(tǒng)。

1、仿真系統(tǒng)的軟、硬件系統(tǒng)（實(shí)際部分如圖1）

主電路：三相電源經(jīng)交流接觸器主觸點(diǎn)接三相電動(dòng)機(jī)。

PLC控制電路：三菱PLC，一個(gè)啟動(dòng)按鈕接X(jué)0，一個(gè)停止按鈕接X(jué)1，一個(gè)交流接觸器線(xiàn)圈接Y0， ?一個(gè)運(yùn)行指示燈接y4，一個(gè)停止指示燈接X(jué)5。

PLC程序：略

該部分是實(shí)際電路部分，再PLC控制下，完成電機(jī)運(yùn)行功能，同時(shí)與虛擬仿真系統(tǒng)部分互傳數(shù)據(jù)。

2、基于組態(tài)程序開(kāi)發(fā)的虛實(shí)結(jié)合仿真系統(tǒng)

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的枯燥、死板的教學(xué)模式以及各種危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生產(chǎn)生的抵觸學(xué)習(xí)的情緒，虛擬仿真教學(xué)使學(xué)習(xí)者體驗(yàn)置身其中的感覺(jué)，能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有安全直觀性、共享性、重復(fù)性，能最大限度地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)興趣。

畫(huà)面仿真了常規(guī)控制電路和PLC控制電路。電路的啟動(dòng)運(yùn)行可以通過(guò)實(shí)際按鈕啟動(dòng)運(yùn)行和停止，也可通過(guò)鼠標(biāo)按鈕操作。

仿真畫(huà)面1可分別仿真常規(guī)控制電路和PLC控制電路的工作過(guò)程，以動(dòng)畫(huà)形式演示。主要是容易理解常規(guī)控制電路和PLC控制電路的接線(xiàn)區(qū)別、特點(diǎn)及控制方式的異同。常規(guī)控制電路是靠具體的實(shí)際接線(xiàn)實(shí)現(xiàn)邏輯控制關(guān)系，PLC控制電路是靠PLC內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)邏輯控制關(guān)系，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)是一致的。

PLC內(nèi)部等效為3個(gè)電路，3個(gè)電路沒(méi)有電之間的直接關(guān)系，靠觸點(diǎn)進(jìn)行邏輯聯(lián)系。

輸入電路部分：PLC內(nèi)部等效X繼電器線(xiàn)圈及外部開(kāi)關(guān)電路。按端口X的輸入按鈕（也可通過(guò)鼠標(biāo)按仿真畫(huà)面中的按鈕操作），PLC內(nèi)部相應(yīng)的X繼電器線(xiàn)圈得電就變紅閃爍，電流流動(dòng)。同時(shí)控制部分的相應(yīng)X繼電器的觸點(diǎn)發(fā)生動(dòng)作改變。

控制電路部分：每行由各觸點(diǎn)的串、并聯(lián)及線(xiàn)圈組成。觸點(diǎn)根據(jù)據(jù)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)圈有電否閉合或斷開(kāi)（閉合陰影顯示），當(dāng)線(xiàn)圈有電時(shí)變紅閃爍，電流流動(dòng)。控制部分、輸出部分對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)動(dòng)作。

輸出電路部分：PLC內(nèi)部等效Y繼電器的觸點(diǎn)、外部的交流接觸器線(xiàn)圈、指示燈及電源組成。當(dāng)控制部分中輸出Y線(xiàn)圈得電時(shí)，輸出部分對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)動(dòng)作接通被控制設(shè)備，被控制設(shè)備得電工作，當(dāng)線(xiàn)圈有電時(shí)變紅閃爍，電流流動(dòng)。

虛擬仿真畫(huà)面可接受PLC及外設(shè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可脫離外設(shè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬信號(hào)仿真。虛擬仿真畫(huà)面可3個(gè)電路整體運(yùn)行，也可進(jìn)行某個(gè)電路、元件單獨(dú)仿真運(yùn)行。

一、虛實(shí)結(jié)合仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

組態(tài)王kingview是亞控科技根據(jù)當(dāng)前的自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)一體化為目標(biāo)開(kāi)發(fā)的一套產(chǎn)品。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面，并以動(dòng)畫(huà)方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，也可進(jìn)行虛擬控制的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

（1）建立畫(huà)面。利用工具箱圖形元素，構(gòu)建被控對(duì)象及PLC等效電路元件和電路如圖2、如圖3。

（2）定義數(shù)據(jù)變量。根據(jù)要求，定義各種開(kāi)關(guān)量、線(xiàn)圈等輸入量和輸出量對(duì)象，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)連接。設(shè)置工程畫(huà)面中各圖形的屬性，使其與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)象建立起對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

（4）建立與三菱FX2NPLC連接。在設(shè)備窗口COM1添加PLC設(shè)備，并設(shè)置設(shè)備相關(guān)屬性，實(shí)現(xiàn)與三菱FX2NPLC實(shí)時(shí)通信。

（5）編制仿真腳本程序

if（＼＼本站點(diǎn)＼按鈕啟動(dòng)==1）

＼＼本站點(diǎn)＼流動(dòng)1=5;

else

{＼＼本站點(diǎn)＼流動(dòng)1=0;}

if（＼＼本站點(diǎn)＼按鈕啟動(dòng)==1）

＼＼本站點(diǎn)＼X0線(xiàn)圈=1;

else

＼＼本站點(diǎn)＼X0線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼停止按鈕==1）

＼＼本站點(diǎn)＼X1線(xiàn)圈=1;

else

＼＼本站點(diǎn)＼X1線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼開(kāi)關(guān)1==1）

＼＼本站點(diǎn)＼X2線(xiàn)圈=1;

else

＼＼本站點(diǎn)＼X2線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈==1||＼＼本站點(diǎn)＼X0線(xiàn)圈==1）

＼＼本站點(diǎn)＼M0線(xiàn)圈=1;

else

＼＼本站點(diǎn)＼M0線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼M0線(xiàn)圈==1&&＼＼本站點(diǎn)＼X1線(xiàn)圈==0）

＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈=1;

else

＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈）

＼＼本站點(diǎn)＼流動(dòng)量=5;

else

＼＼本站點(diǎn)＼流動(dòng)量=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈&&＼＼本站點(diǎn)＼運(yùn)行）

＼＼本站點(diǎn)＼Y1線(xiàn)圈=1;

else

＼＼本站點(diǎn)＼Y1線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈==0&&＼＼本站點(diǎn)＼運(yùn)行）

＼＼本站點(diǎn)＼Y2線(xiàn)圈=1;

else

＼＼本站點(diǎn)＼Y2線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈&&＼＼本站點(diǎn)＼T0）

{＼＼本站點(diǎn)＼計(jì)時(shí)=＼＼本站點(diǎn)＼計(jì)時(shí)+1;}

else

＼＼本站點(diǎn)＼計(jì)時(shí)=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼計(jì)時(shí)==80）

{＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈=0;

＼＼本站點(diǎn)＼計(jì)時(shí)=0;}

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y0開(kāi)關(guān)&&＼＼本站點(diǎn)＼運(yùn)行==0）

＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈=1;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y0開(kāi)關(guān)==0&&＼＼本站點(diǎn)＼運(yùn)行==0）

＼＼本站點(diǎn)＼Y0線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y1開(kāi)關(guān)&&＼＼本站點(diǎn)＼運(yùn)行==0）

＼＼本站點(diǎn)＼Y1線(xiàn)圈=1;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y1開(kāi)關(guān)==0&&＼＼本站點(diǎn)＼運(yùn)行==0）

＼＼本站點(diǎn)＼Y1線(xiàn)圈=0;

if（＼＼本站點(diǎn)＼Y0開(kāi)關(guān)==1&&＼＼本站點(diǎn)＼運(yùn)行==1）

＼＼本站點(diǎn)＼運(yùn)行燈=1;

……. …….

三、虛實(shí)結(jié)合的仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中取得的成果

（1）減少了學(xué)習(xí)PLC的難度，深刻理解了PLC內(nèi)部的工作原理，電路、元件之間的邏輯關(guān)系。虛擬仿真技術(shù)直觀、生動(dòng)，將抽象的程序形象化、具體化。

（2）虛實(shí)結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，學(xué)生可進(jìn)行PLC實(shí)際接線(xiàn)和操作，理論和實(shí)踐高度結(jié)合。

（3）為后續(xù)的PLC的編程打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（4）虛實(shí)結(jié)合的仿真系統(tǒng)可脫離開(kāi)發(fā)程序，打包后，方便安裝運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)：

將虛實(shí)結(jié)合仿真技術(shù)應(yīng)用到PLC等效電路學(xué)習(xí)中，極大的解決了PLC學(xué)習(xí)中“看不見(jiàn)，摸不著，難理解”困惑，直觀、形象、生動(dòng)地展現(xiàn)了PLC內(nèi)部工作過(guò)程和控制效果，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)質(zhì)量。本虛擬系統(tǒng)可供學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用，豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容。

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作者： ? 周英華（副教授） ? 鄭川江（講師） ? 江麗麗（講師）

（云南水利水電職業(yè)學(xué)院 ? ?云南 ?昆明 ?650202）