觸摸屏仿真在PLC課程實踐教學中的應用

◎ 羅慧芳 方曉毅

可編程控制器簡稱PLC，將傳統(tǒng)的繼電器控制技術和計算機控制技術、通訊技術融為一體，具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、使用方便、環(huán)境適應能力強等特點，已成為工業(yè)控制的標準設備應用于工業(yè)自動控制中。鑒于PLC在工業(yè)自動化中的重要地位，各院校電專業(yè)普遍都開設了PLC及相關課程。PLC的特點決定了這門技術實踐性非常強，PLC程序只有與被控對象結合才能實現(xiàn)其設計目的，因此實驗環(huán)節(jié)非常重要。但PLC實驗設備價格昂貴且體積龐大，受經(jīng)費、空間、時間的限制，實體設備很難滿足學生加強實踐能力鍛煉的需要。因此，有必要建設PLC仿真實驗平臺。

一、仿真環(huán)境的搭建

目前，國內應用較多的小型化PLC主要是西門子、三菱系列，而三菱FX2N系列PLC由于其功能指令豐富，編程調試方便在國內高校PLC教學中應用較多。本文以三菱公司的FX2N系列PLC為例加以說明。

要建立PLC的仿真實驗環(huán)境，首先要安裝PLC和觸摸屏的相關設計仿真軟件。其名稱功能如表1所示。軟件選擇不需完全一致，但要注意其版本和語言的一致性。軟件安裝時要先安裝PLC編程軟件和觸摸屏設計軟件，再安裝PLC和觸摸屏的仿真軟件。

表1 仿真環(huán)境相關軟件

軟件環(huán)境安裝完畢后，即可開始利用GX Developer設計PLC梯形圖或狀態(tài)轉移圖程序，利用GT designer設計好觸摸屏界面，啟動PLC邏輯測試和觸摸屏仿真進行PLC和觸摸屏的聯(lián)合仿真調試。

二、仿真系統(tǒng)設計實例

一小車自動往返系統(tǒng)設計，控制要求為：小車在A處裝料后，按啟動按鈕SB1，小車開始前進到B處并壓合SQ1，停5秒，工作人員卸料；5秒后小車自動后退，運行到A處并壓合SQ2，停7秒，工作人員裝料；7秒后小車自動前進。如此反復循環(huán)工作，當小車第6次壓合SQ2時停止工作。若再次按下SB1則重復上述工作過程。根據(jù)題目要求設計步驟如下。

1.建立軟元件分配表

按照題意建立軟元件分配表如表2所示。

表2 軟元件分配表

2.用GT designer設計觸摸屏界面

打開GT designer后注意選擇PLC類型為MELSEC-FX，為后面和FX2NPLC的連接做好準備。由于GT Simulator只能仿真GT11系列觸摸屏，所以觸摸屏類型必須選擇為GT11系列。利用GT designer設計的被控對象界面如圖1所示。

圖1 觸摸屏仿真設計界面

圖中按鈕和限位開關使用了位開關控件用于操作輸入軟元件，以實現(xiàn)輸入單元的控制功能。控件中可以選擇添加其自帶的圖形庫以實現(xiàn)更加直觀的指示作用。將位開關的動作設置為點動模擬按鈕的動作過程，將位開關設置為交替模擬限位開關的動作過程，交替動作還需要設置其指示燈為位功能，并且填入相應的的軟元件名稱。按鈕和開關的通斷可以通過控件顏色直觀顯示。

圖中小車的前進后退運行指示使用了位指示燈控件，填入相應的軟元件名稱，并通過調用自帶圖形庫symbol中的左右箭頭作為方向指示。同樣指示燈通過顏色直觀顯示當前運行狀態(tài)。循環(huán)次數(shù)和裝卸料時間顯示利用了數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)輸入控件設計，用數(shù)據(jù)輸入控件可提高調試效率，如需要在調試時修改當前的循環(huán)次數(shù)，可點擊數(shù)據(jù)輸入控件在彈出的數(shù)值修改框中直接修改軟元件C0的當前值。利用文本控件加入必要的文字說明，利用直線、矩形框控件整理美化仿真界面。

3.利用GX Developer設計PLC程序

PLC程序的設計主要有梯形圖、狀態(tài)轉移圖（SFC）兩種方式。對于初學者，面對較復雜的程序使用梯形圖進行設計不僅很難下手，而且花了較多時間與精力，也難編出效率較高、質量也較高的程序。而利用狀態(tài)轉移圖，只需要設計出各種狀態(tài)以及各個狀態(tài)之間的轉移條件，初學者就可以很快編出十分高效可靠的程序，而且調試直觀方便。利用GX Developer設計狀態(tài)轉移圖操作非常方便高效，且設計完成后如果需要可通過設置直接轉化為梯形圖和指令表。圖2為本例的狀態(tài)轉移流程圖，圖3為利用GX Developer設計的狀態(tài)轉移圖。

圖2 狀態(tài)轉移流程圖

圖3 狀態(tài)轉移設計圖

4.仿真調試過程

啟動GX Developer的邏輯測試功能，進入PLC的模擬運行狀態(tài)。此時可以通過軟元件登錄監(jiān)視來監(jiān)測軟元件運行狀態(tài)或者修改輸入軟元件狀態(tài)以達到控制目的，但此方法操作起來很不方便且不直觀。打開GT Simulator，選擇前面設計好的觸摸屏仿真界面，進入PLC觸摸屏聯(lián)合模擬調試運行。在觸摸屏界面中，可以通過設計的按鈕和開關來進行相應的控制輸入，利用數(shù)值顯示和修改控件來顯示或修改PLC內部軟元件，利用指示燈控件顯示相應的輸出軟元件狀態(tài)。圖4左邊仿真界面顯示小車已循環(huán)運行三次，當前處于左限位裝貨延時狀態(tài)，已延時2.1秒，與圖4右邊狀態(tài)轉移圖所處S23狀態(tài)相對應。

圖4 調試過程的仿真界面

在本例中具體調試步驟如下：（1）接通左限位開關（亮），按下啟動按鈕，小車前進指示燈點亮表示小車此時正在前進。（2）斷開左限位開關（滅），接通右限位開關（亮），小車前進指示燈滅表示小車停止前進，同時卸料定時開始自動計時并在觸摸屏界面上直觀的顯示當前計時時間。（3）計時時間到，小車后退指示燈亮表示小車開始后退。（4）斷開右限位開關（滅），接通左限位開關（亮），小車后退指示燈滅表示小車停止后退，循環(huán)計數(shù)器值加一并顯示在觸摸屏界面上，同時裝料定時開始自動計時并在觸摸屏界面上直觀顯示當前計時時間。（5）卸料定時時間結束，小車前進指示燈點亮表示小車又開始前進，開始一輪新的循環(huán)，此時也可以通過修改循環(huán)計數(shù)器的值，來達到簡化調試步驟，加快調試過程。（6）調試過程中，在GX Developer上可通過設計的狀態(tài)轉移圖上監(jiān)測到當前所處的狀態(tài)以及外部控制條件的變化引起各個狀態(tài)之間的轉移變化，根據(jù)當前狀態(tài)的輸出和狀態(tài)轉移是否正確可快速定位運行不正常的程序段。

5.連接實際PLC和實際被控對象的調試過程

上述過程僅需一臺電腦即可完成整個仿真調試過程，這樣前面這部分設計過程學生可以在課余時間自行完成。但此方法并不僅僅只能用于軟件仿真，將PLC程序下載到PLC之后，啟動GTdesigner改變仿真選項中的連接方式為CPU，即可實現(xiàn)與PLC進行通訊，相當于給被控對象添加了一臺昂貴的觸摸屏。此時可以利用觸摸屏仿真界面實時顯示當前運行狀態(tài)，內部定時器和計數(shù)器的值，來輔助外部實際被控對象，加快PLC程序調試過程。此方法增強了實驗設備的功能，提高了調試效率。利用外設之后，觸摸屏界面不再可以操作輸入軟元件如按鈕和開關等，只能顯示輸入輸出軟元件狀態(tài)，但仍可以修改PLC內部軟元件，如計數(shù)器、定時器等內部軟元件的當前值。

利用PLC和觸摸屏仿真構建PLC仿真調試環(huán)境，大大提高了PLC程序設計和調試的效率，取得了良好的效果。學生課后在電腦上自行設計調試好PLC實驗程序和實驗界面，實驗課上再聯(lián)機調試，不僅加深了理解，提高了學習的主動性，而且大大縮短了單個實驗課時，提高了教與學的效率。同時該方法也可緩解學校經(jīng)費投入、空間限制導致的實驗設備臺套數(shù)不足的問題。

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