仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：仿真技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科的綜合性技術(shù)，將PLC技術(shù)與工業(yè)組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了10個(gè)典型的工程應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在學(xué)生設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；工業(yè)組態(tài)技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）44-0175-03

一、概述

可編程控制器（PLC）在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。一方面，PLC技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合是目前的PLC技術(shù)主流，另一方面，在工業(yè)系統(tǒng)中，PLC的應(yīng)用規(guī)模越來(lái)越廣泛，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用組態(tài)技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)地了解工業(yè)對(duì)象的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。目前PLC技術(shù)與工業(yè)組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。各大高校普遍開(kāi)設(shè)PLC課程，PLC課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，目前在高校的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中比較普遍的實(shí)驗(yàn)手段是：通常用比較簡(jiǎn)單的硬件來(lái)模擬實(shí)際的工業(yè)對(duì)象，例如用燈來(lái)模擬實(shí)際的動(dòng)作（典型的產(chǎn)品如求是公司或者天煌公司開(kāi)發(fā)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝備），導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)不直觀。實(shí)驗(yàn)往往是單純的PLC與計(jì)算機(jī)的連接，通過(guò)上位計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件進(jìn)行編程，然后把程序傳到PLC中進(jìn)行調(diào)試。這種實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)于提高學(xué)生的興趣和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力是比較困難的。將PLC技術(shù)與工業(yè)組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相融合，并應(yīng)用到教學(xué)中是目前值得探討的重要問(wèn)題，一方面，仿真技術(shù)在目前可以很好的彌補(bǔ)客觀條件的不足，提出了真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物演示的教學(xué)模式，有利于提高PLC課程教學(xué)的教學(xué)水平。另一方面，在課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用PLC技術(shù)與工業(yè)組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置也可以鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。應(yīng)該指出：目前國(guó)內(nèi)外的組態(tài)軟件產(chǎn)品是很多的，而且各有特點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)的組態(tài)王應(yīng)用軟件已經(jīng)得到了廣泛的使用，是很有特點(diǎn)的，使用也簡(jiǎn)便，這里選用組態(tài)王軟件來(lái)開(kāi)發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)現(xiàn)方法

仿真控制系統(tǒng)的硬件由組態(tài)王軟件、計(jì)算機(jī)、PLC、觸摸屏、通訊電纜等組成，如圖1所示。

圖1 仿真控制系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)組成

實(shí)現(xiàn)這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本方法是：在上位機(jī)中用組態(tài)王軟件來(lái)完成控制畫(huà)面的制作，并在組態(tài)王的數(shù)據(jù)庫(kù)中定義相關(guān)的變量，再將控制畫(huà)面中的圖素進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接，最后調(diào)試并運(yùn)行。下位機(jī)一般建議選用具有可靠性高、通用性強(qiáng)、擴(kuò)展方便、使用方便的工業(yè)中廣泛使用具有代表性的PLC就可以了。通常組態(tài)王軟件與三菱FX2N-48MR PLC之間實(shí)現(xiàn)通訊的方法是：三菱FX2N-48MR PLC采用RS485進(jìn)行通訊，它要占用計(jì)算機(jī)的一個(gè)串行口，在不添加擴(kuò)展卡的情況下將使用PLC編程口和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，這是比較經(jīng)濟(jì)的方法。顯然，F(xiàn)X2N系列PLC的編程軟件為GX-developer，和其他PLC的編程軟件相似，可以實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)之間通信、編程、參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控等相關(guān)的操作。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：在組態(tài)王工程瀏覽器的工程目錄顯示區(qū)，點(diǎn)擊“設(shè)備”大綱項(xiàng)下PLC與上位計(jì)算機(jī)所連串口，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。FX2N-48MR PLC編程口的通訊COM口參數(shù)設(shè)置是：波特率為9600bps，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為7，停止位長(zhǎng)度為1，用奇校驗(yàn)，通信方式為RS485 4W。然后在組態(tài)王瀏覽器目錄內(nèi)容顯示區(qū)內(nèi)雙擊所設(shè)COM口對(duì)應(yīng)的“新建”圖標(biāo)，會(huì)彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框。在此對(duì)話框中完成與組態(tài)王通訊的設(shè)備的設(shè)置。利用設(shè)備配置向?qū)Ь涂梢酝瓿纱型ㄓ嵎绞降腎/O設(shè)備安裝。在配置過(guò)程中，用戶需選擇I/O設(shè)備的生產(chǎn)廠家、設(shè)備型號(hào)、連接方式，為設(shè)備指定？個(gè)邏輯設(shè)備名，設(shè)定設(shè)備地址。數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)王軟件的核心部分，在工程管理器中，選擇“數(shù)據(jù)庫(kù)/數(shù)據(jù)詞典”，雙擊“新建圖標(biāo)”，彈出“變量屬性”對(duì)話框。定義三菱FX2N-48MR PLC相應(yīng)寄存器。在組態(tài)王“畫(huà)面”上創(chuàng)建相應(yīng)的模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的示意圖，如建立輸入或者輸出設(shè)備，模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面等，要注意定義相應(yīng)的變量，并進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中建議使用演示功能，可以方便地測(cè)試設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面。啟動(dòng)組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)TOUCHVIEW，將PLC指向運(yùn)行狀態(tài)，即可觀察系統(tǒng)的控制結(jié)果，在組態(tài)王環(huán)境下可以直觀地體會(huì)實(shí)驗(yàn)效果，檢驗(yàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的控制程序的正確性。為了進(jìn)一步模擬工業(yè)控制環(huán)境，可以選用觸摸屏作為控制面板，建議選用比較流行的觸摸屏型號(hào)，通過(guò)設(shè)置好指示燈及按鈕和開(kāi)關(guān)等元器件，就可以方便地實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于實(shí)驗(yàn)操作面板的功能。根據(jù)介紹的設(shè)計(jì)方法，在組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)出了10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：（1）運(yùn)料小車(chē)模擬控制，（2）混料罐模擬控制，（3）反應(yīng)爐模擬控制，（4）電梯模擬控制，（5）運(yùn)料小車(chē)模擬控制，（6）輸送帶模擬控制，（7）噴漆模擬控制，（8）排污模擬控制，（9）噴水池模擬控制，（10）壓模模擬控制等10個(gè)控制對(duì)象，目前已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的控制功能，控制效果十分逼真。今后我們?cè)O(shè)想根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的不斷深入，將逐步改變控制方式。如果引入網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的所有控制對(duì)象用PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行改造，將進(jìn)一步體現(xiàn)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

三、教學(xué)方法

在PLC課程教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的教學(xué)方法，可以從確定仿真教學(xué)的目標(biāo)、轉(zhuǎn)變教師的教學(xué)方式、突出教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)三個(gè)方面入手。

1.確定教學(xué)目標(biāo)。仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用，確定仿真技術(shù)教學(xué)的目標(biāo)是關(guān)鍵。在PLC教學(xué)中應(yīng)該先介紹具體的PLC硬件配置，設(shè)計(jì)原則和步驟等，然后進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成以后利用仿真軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)模擬。在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)注意引用典型控制環(huán)節(jié)和不同的軟件設(shè)計(jì)方法，要注意培養(yǎng)學(xué)生的理解和掌握PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.轉(zhuǎn)變教師的教學(xué)方式。轉(zhuǎn)變教學(xué)方式是仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于PLC教師而言，為實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用，應(yīng)該轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的以課堂為主的教學(xué)方式，要綜合應(yīng)用各方面的資源，融合多種技術(shù)進(jìn)行PLC教學(xué)。具體來(lái)說(shuō)，PLC的仿真教學(xué)要確立學(xué)生的主體地位，教師在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中加以適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)。在開(kāi)發(fā)PLC仿真系統(tǒng)過(guò)程中教師要引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用PLC技術(shù)與工業(yè)組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和工程能力。這樣通過(guò)轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，可以實(shí)現(xiàn)PLC教學(xué)的教學(xué)目的。

3.突出教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。突出教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，以項(xiàng)目為載體來(lái)組織教學(xué)，可以使仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中取得事半功倍的效果。PLC課程與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，在總課時(shí)不增加的情況下，可以減少課堂教學(xué)課時(shí)，增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)課時(shí)，強(qiáng)化實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。要因材施教，一方面組織部分能力強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行開(kāi)發(fā)PLC仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使得學(xué)生體驗(yàn)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)。另一方面組織部分學(xué)生進(jìn)行仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，要求學(xué)生應(yīng)用不同的PLC軟件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)PLC控制設(shè)計(jì)，可以有效地突破場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)的限制。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出典型的10個(gè)工業(yè)對(duì)象，可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的工業(yè)對(duì)象的功能，要求學(xué)生在開(kāi)發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)裝置上，通過(guò)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)或者驗(yàn)證理論的正確性。在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，建議不必為其提供程序，不過(guò)可以先通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕為學(xué)生展示開(kāi)發(fā)好的演示控制過(guò)程，使學(xué)生對(duì)自己將要控制的工業(yè)對(duì)象的實(shí)際工作情況有個(gè)實(shí)際的理解，通過(guò)形象化的動(dòng)畫(huà)來(lái)表達(dá)工業(yè)工作。具體實(shí)驗(yàn)步驟建議如下：①可以要求學(xué)生對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)所給出的控制要求設(shè)計(jì)出PLC輸入輸出表或者畫(huà)出輸入輸出接線圖，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出PLC原理圖和控制程序流程圖，使得學(xué)生學(xué)會(huì)PLC的實(shí)際接線圖的繪制。②應(yīng)用三菱編程軟件GX-developer在計(jì)算機(jī)上輸入程序。可要求學(xué)生分組使用不同的算法和程序設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)，但最終要實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的控制功能。③PLC控制系統(tǒng)程序調(diào)試。首先，利用GX-developer編程軟件中的“編譯”命令，檢查PLC程序是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤，如果沒(méi)有再將程序下載到PLC中，建議利用PLC編程軟件中的“監(jiān)控”命令來(lái)調(diào)試PLC程序。④聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)。建議先運(yùn)行開(kāi)發(fā)好的演示畫(huà)面，然后運(yùn)行仿真畫(huà)面，可比較形象直觀地觀察PLC被控對(duì)象的實(shí)際工作情況，由此也可驗(yàn)證所設(shè)計(jì)PLC程序的正確性。

PLC技術(shù)與工業(yè)組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。將PLC技術(shù)與工業(yè)組態(tài)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于PLC教學(xué)實(shí)驗(yàn)，解決了難以在實(shí)驗(yàn)室里裝備具體控制對(duì)象及具體控制對(duì)象無(wú)法適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)等問(wèn)題。此外，仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)還可在教師的科研中發(fā)揮作用，可以將類(lèi)似的技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)控制的開(kāi)發(fā)中。通過(guò)組織學(xué)生所開(kāi)發(fā)的10個(gè)具有典型工程應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使得學(xué)生體會(huì)到了技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，引起了學(xué)生極大的興趣，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

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作者簡(jiǎn)介：郭丙君（1962-），男，博士，教授，研究方向：先進(jìn)控制、工業(yè)電氣自動(dòng)化及仿真、電力電子與電力傳動(dòng)、工業(yè)過(guò)程模型化與控制。