基于觸摸屏的PLC實驗教學平臺的研究與實現

摘要：針對當前高校開展PLC實驗教學存在的被控對象難配備的問題，分析了引入觸摸屏的必要性，提出了在PLC實驗教學中引入觸摸屏仿真軟件進行輔助教學的新方法。結合哈爾濱理工大學多年來開展的PLC實驗教學，設計了一個以觸摸屏為操作界面和顯示界面的PLC實驗教學平臺。進入該實驗教學平臺后，學生可以根據課程進度對PLC演示實驗進行操作使用。采用此實驗教學平臺，一方面降低了實驗教學的投資成本，一方面讓學生在實驗中同時掌握PLC技術和觸摸屏技術。

關鍵詞：PLC；實驗教學平臺；觸摸屏；虛擬仿真

作者簡介：周美蘭（1962-），女，山東金鄉人，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院教學副院長，教授；李昀昭（1986-），男，黑龍江雞西人，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院碩士研究生。（黑龍江 哈爾濱 150080）

基金項目：本文系黑龍江省高等教育綜合改革試點專項（項目編號：JG2201201107）、黑龍江省高等學校教改工程項目（項目編號：JG2012010257）和哈爾濱理工大學高等教育研究重點項目（項目編號：A201200004）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0109-02

可編程序控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，是以微處理器為基礎，在計算機技術、自動控制和通信技術基礎上發展起來的專門在工業環境下應用而設計的工業計算機。[1，2]自1969年問世以來，以其功能強、可靠性高、編程簡單、體積小的特點，在工業控制的各個領域得到了廣泛的應用，也因此使PLC技術成為各工科院校開設的主要課程之一。[3，4]PLC工程應用的特點，也使得實驗教學在PLC技術課程中起著重要作用。然而，PLC實驗教學在實施上面臨很多困難，例如控制對象的高成本、易損壞、難維護等。

觸摸屏的出現無疑是21世紀自動化領域的一個巨大革新，也是當前和未來一段時期人機交互界面的主流形式。如果將該項技術應用于PLC實驗教學中，一方面能夠解決上述PLC實驗教學的難題，另一方面更是提供了一個讓學生了解和學習觸摸屏技術的途徑，使得PLC的實驗教學內容更豐富，實踐性更強，操作性更高。

一、觸摸屏應用于PLC實驗教學的整體思路

第一，觸摸屏是一種集輸入和輸出為一體的設備，PLC實驗教學中采用觸摸屏技術，便可以將輸入按鍵和輸出指示燈在觸摸屏上完整地展示出來，完成實驗程序的模擬，從而代替了實驗室的線路布局和設備的維護等工作。同時，各式各樣體積龐大、價格昂貴的控制設備都可以在觸摸屏上一一模擬出來，增強了PLC和觸摸屏的教學實驗的效果。

第二，觸摸屏和PLC都配有與硬件對應的應用軟件，通過在PC上運行軟件，可以對其進行編程、在線模擬和錯誤檢查。[5，6]這就是說，整個教學實驗的過程都可通過軟件進行仿真，針對學生設計的程序，可以及時地在PC上得到驗證，避免了由于程序錯誤等原因造成設備故障或者損壞。

第三，采用此種模式后，由于在實驗前期模擬階段，僅僅需要一臺電腦即可完成工作，學生可以在業余時間，在個人的電腦上安裝仿真軟件進行實驗的相關設計，這就緩解了實驗室開放時間有限和實驗設備緊缺、維護成本高的難題。[7，8]

第四，當學生掌握了觸摸屏和仿真軟件之后，可以發揮自己的想象，進行各種設計，從而得到一定的仿真結果，這就一定程度上激發了學生的實驗興趣，提高了創新意識。[6]

二、觸摸屏應用于PLC實驗教學平臺

將觸摸屏和軟件仿真的思路應用于PLC的實踐教學，由此構成了一套PLC的模擬實驗臺。文中采用的是松下FP0R系列的PLC和威綸MT506型號的觸摸屏。

1.PLC實驗教學平臺的組成

本實驗平臺由PLC、觸摸屏和PC機三部分組成，PC機是上位機，對PLC進行在線編程，將編寫好的程序下載到PLC中。同時，對觸摸屏進行畫面編輯、在線模擬，最后通過PLC和觸摸屏之間的通信，在觸摸屏上實現對PLC的輸入控制和動態觀察。實驗流程圖如圖1。

2.通信連接

設備之間的通信是觸摸屏教學使用的重要環節，正確地連接觸摸屏、PLC和計算機之間的通信線路是功能實現的前提。[9]

威綸MT506MV觸摸屏支持RS-232接口和RS-485/RS-232接口，其中前者與計算機相連，實現程序的編寫與調試，而后者則與PLC相連，實現與PLC的通信。威綸MT506MV觸摸屏擁有豐富的通信協議資源，這其中也包括了松下公司的PLC通信協議。這樣一來，只需要在觸摸屏編程軟件中設置使用松下公司的PLC通信協議，那么就可以輕松地實現PLC松下FP0R-C32與威綸MT506MV觸摸屏這兩個設備之間相互進行通信，而無需再對PLC進行復雜的通信協議編程。

FP0R-C32支持RS-232接口和USB通信接口，其中RS-232接口與觸摸屏相連接完成通信功能，USB通信接口與計算機相連接完成計算機對PLC編程、調試和監控等功能。

觸摸屏、PLC和計算機，這三者之間的通信關系框圖如下圖2所示。

3.PLC實驗教學平臺

本文設計開發了一套完整的基于威綸MT506MV觸摸屏的PLC實驗教學平臺。啟動本平臺后，屏幕顯示“歡迎進入哈爾濱理工大學PLC實驗教學平臺”界面，如圖3。點擊進入后，該平臺分為八個部分，其中包括四個演示實驗和相關的系統說明，如圖4，四個演示實驗分別如下：

（1）運料小車PLC控制仿真實驗。在按下開始按鈕后，小車自動往返運貨，此時自動運行的指示燈亮，同時向左向右運行時，對應該方向的指示燈亮；按下停止后，小車停止運動，指示燈都滅，此時，按住左鍵或右鍵，小車可以手動控制運動方向，此時自動運行的指示燈滅，向左、向右運行的指示燈亮；按返回按鈕，回到上級菜單。

（2）十字路口交通指揮燈控制仿真實驗。此實驗包括橫向控制燈和縱向控制燈各兩組，每組有紅、綠、黃三種顏色。橫向紅燈和縱向綠燈同時亮滅，橫向綠燈和縱向紅燈同時亮滅，兩個方向的黃燈同時亮滅。按下開始按鈕后，橫向紅燈亮20s，然后黃燈亮3s，接著綠燈亮20s。在進行上述過程的同時，縱向進行相反的控制過程。按下停止按鈕，系統控制程序停止。[10，11]

（3）霓虹燈PLC控制仿真實驗。此實驗是用PLC控制8個字的霓虹燈的閃爍及工作過程，按下閃爍按鈕后，“慶”、“祝”、“建”、“國”、“六”、“十”、“周”、“年”8個字依次點亮，全部點亮2s后，8個字同時進行閃爍3次，持續亮3s，之后按之前的程序循環進行，按下停止按鈕后，同時滅燈，按下常亮按鈕，同時亮燈。

（4）溶液混合PLC控制仿真實驗。系統由1個溶液混合罐，3個電磁閥，3個位置開關和1個攪拌葉輪組成。當按下“開始”按鈕后，先打開1號溶液的電磁閥A，放入1號溶液，液面到達“中位置開關”，此時關閉電磁閥A，打開電磁閥B，放入2號液體，液面到達“上位置開關”，關閉電磁閥B。葉輪開始旋轉攪拌液體5s，然后葉輪停止，打開“排放電磁閥”，將混合罐內的液體排出，直到液面達到“下位置開關”為止，然后重復上述過程。在任何時候，按下“停止”按鈕，系統自動停止，再按下“開始”按鈕，系統接著原來的工作繼續進行。[12]

文中以運料小車實驗為例，圖5為運料小車實驗在觸摸屏的仿真軟件EasyManager中的仿真畫面。在操作觸摸屏之前，學生可以先利用PC機上的仿真軟件進行在線模擬，模擬成功后，即可將仿真程序下載到觸摸屏中，在實物觸摸屏中的效果圖如圖6所示。

三、結語

把觸摸屏引入PLC的實驗教學中，實際上是采用虛擬技術代替實物來完成復雜高成本PLC實驗的一次嘗試，成本低，維護方便。本PLC實驗教學平臺借助觸摸屏的仿真軟件，可以方便對被控對象進行編輯制作，運用觸摸屏控制PLC和顯示被控對象的實際效果，也使得實驗更加形象，操作更加簡單。學生在實驗中通過親自操作親身感受，容易加深對概念和基本原理的理解，哈爾濱理工大學將在未來的教學實踐中不斷對該平臺進行優化，形成特有的PLC實驗教學模式。

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