淺談PLC虛擬實驗室的建設和研究

葉紅芳

摘 要：該文是依托PLC校教改課題和實驗室建設項目，在分析三種PLC實驗系統優缺點基礎上，設計與實現了一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實驗室的建設方案，該方案只需要計算機、類PLC和相關軟件就能完成PLC控制系統的I/O表分配、電路設計、程序的設計和運行調試等實驗內容，是一種高效、價格低廉、訓練效果良好的PLC實驗系統。

關鍵詞：虛擬實驗室 STEP7或Works2軟件 類PLC 控制對象

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可編程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作為當今工業自動化三大支柱之一，隨著PLC技術的廣泛應用，企業迫切需要大量PLC應用技術人才[1]。目前各類高職院校都開設PLC課程，由于該課程是集理論基礎知識和實際操作技能于一體，實踐操作性很強。在實踐教學過程中，需要學生根據各種工業控制對象的工作流程，通過觀察對象的動作情況來驗證編寫的PLC程序是否正確。但由于受到實驗設備的價格、體積和實驗室管理等各種條件的限制，我們很難在實驗室配備較全面的工業控制對象，因而制約了實驗項目的數量和質量[2]。

隨著虛擬技術和計算機仿真技術的快速發展，我們可以充分利用計算機軟件構造各種模擬實際工業環境的虛擬實驗對象，這樣的實驗內容不受實驗設備價格和管理的限制，教師可以方便增加和更新實驗項目，而且學生也可以不受時間和場地的限制，隨時隨地進行PLC編程及調試，是一種新型和有效提高PLC教學效果的實驗系統。

1 PLC虛擬實驗系統

PLC實驗系統可分為PLC仿真實驗系統、全實物的PLC實驗系統和PLC虛擬實驗系統等，這三種類型實驗系統有各自的優缺點，在不同階段對學生的PLC編程能力、分析問題和解決問題的能力起著重要的推動作用。

PLC仿真實驗系統不需要連接真實的CPU和控制對象，其主要是采用相關軟件對編寫的梯形圖進行仿真運行。首先學生在軟件上編寫PLC程序，然后將仿真調試軟件打開，把編寫好的梯形圖程序裝載并進行仿真運行。不同品牌PLC需要不同的仿真軟件，如三菱的GX Simulator6.0仿真軟件，支持三菱所有型號PLC；而西門子S7-PLCSIM仿真軟件，只支持西門子S7-300的PLC，如果學校PLC課程是以S7-200的PLC為學習的主體，那么這種仿真實驗系統就不能采用。

全實物的PLC實驗系統需要配置一定數量的PLC和各種實際被控對象。實際被控對象一般為廠家配備的實驗操作面板或銑床、鏜床、機械手和物料分揀等實物裝置。在實踐的教學中，首先學生根據設計的電路圖把PLC的I/O端與輸入信號、被控對象進行硬件連接，然后在電腦上編寫程序，并通過下載線把程序下載到PLC上，運行程序并觀察實際被控對象的動作。這種PLC實驗系統由于受設備價格、場地和管理等限制，學生需要分組分批進行實驗，學生的實際動手能力得不到很好的鍛煉，實驗教學效果也不理想。

PLC虛擬實驗系統在PLC仿真實驗系統上發展而來的，它主要是采用計算機仿真技術和虛擬現實技術相結合的實驗方法[3]，將三維的虛擬控制對象與PLC編程操作結合在一起，集成了程序的編寫、模擬調試和動畫演示等功能，具有很強的互動性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控組態軟件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同構建PLC虛擬實驗系統。雖然這套PLC虛擬實驗系統的應用，減輕實驗室對硬件設備和場地的依賴，提高了實驗的開放性和實時性。但由于該實驗系統只針對三菱PLC進行梯形圖編輯及在線調試，學生在學PLC課程同時還要學組態軟件，這樣不但增加教師的教學任務量，同時還大幅提高課程的學習難度。

基于上述三種PLC實驗系統各自的優缺點，課程組成員聯合校企單位共同開發一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬現實技術的PLC虛擬實驗系統，該系統不僅能支持3D虛擬對象還能控制實際被控對象。現本文就介紹一種在該虛擬實驗系統的基礎上構建PLC虛擬實驗室建設方案。

2 PLC虛擬實驗室建設方案

PLC虛擬實驗室構建框圖如圖1所示，學生先在STEP7或Works2軟件中編寫好PLC程序并進行保存，然后通過數據線下載到類PLC，類PLC通過串口通信將數據發送給虛擬被控對象或實際被控對象，被控對象在信號的控制下進行相應的運動，而虛擬或實際被控對象的運行參數，反過來通過類PLC及接口板的處理反饋到程序中，實現閉環控制。我們圖中的類PLC及接口板是采用嵌入式技術開發的類似于PLC的實驗裝置，它不但能同時支持虛擬和實際兩種被控對象，而且由于其成本低廉和體積小等特點，學生使用和攜帶都比較方便。

3 PLC虛擬實驗室建設案例

根據PLC教學中或工業中較常用的控制對象，采用Unity3D軟件進行液體混合裝置、十字路口交通燈、六路智能搶答器和三自由度機械手等15種虛擬控制對象的實驗平臺開發。下面我們以“智能家居控制”實驗為案例，介紹PLC虛擬實驗室的建設與使用方法。“智能家居控制”實驗主要針對定時器指令編程，當按下系統啟動按鈕后，電視機、窗簾和空調安裝一定時間間隔打開，按下停止按鈕關閉所有家電。首先學生根據系統中實驗的控制要求，在虛擬實驗平臺進行I/O表的分配及電路設計，具體步驟如圖2所示；接著在STEP7或WORKS2軟件中進行PLC程序的編輯、編譯與保存，然后通過USB數據線將程序載入到類PLC中，類PLC通過處理將控制數據發送給虛擬控制對象，而虛擬控制對象根據發送的指令進行以動畫的形式實時表現程序的運行結果，系統則根據運行結果參照控制要求，自動給出正確或錯誤的提示說明。具體的調試結果如圖3所示，這樣的實驗過程不但能讓學生不斷地進行程序的修改、調試直至滿足控制要求，從而提高學生的PLC編程水平和解決問題的能力[5]，而且還能節省教師的檢查時間，提高課堂教學的有效性。

4 結語

該文介紹一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實驗室建設方案和使用方法，它不僅能實現系統I/O表的分配、電路的設計、程序設計和運行調試等實驗內容，而且還能同時支持虛擬和實際兩種被控對象。該方案的實施，節省了實驗經費，改變學生的實驗場地、實現移動式實驗，提高了實際動手能力、改善了教學效果。

參考文獻

[1] 廖常初.S7300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 楊奕.PLC虛擬對象的設計與應用[J]. 微計算機信息，2005（34）：39-40.

[3] 王嘯東.PLC虛擬實驗室的研究與建設[J].實驗室研究與探索，2012（9）：210-213.

[4] 王銘城.FX-TRN-BEG-CL仿真軟件在PLC教學中的作用[J].教師，2010（21）：73-74.

[5] 林育茲，鮑平.可編程序控制器原理及邏輯控制[M].北京：機械工業出版社，2005.

[6] 三菱公司.系列PLC用戶手冊[M].上海：上海電機自動化（上海）有限公司，2005.endprint

摘 要：該文是依托PLC校教改課題和實驗室建設項目，在分析三種PLC實驗系統優缺點基礎上，設計與實現了一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實驗室的建設方案，該方案只需要計算機、類PLC和相關軟件就能完成PLC控制系統的I/O表分配、電路設計、程序的設計和運行調試等實驗內容，是一種高效、價格低廉、訓練效果良好的PLC實驗系統。

關鍵詞：虛擬實驗室 STEP7或Works2軟件 類PLC 控制對象

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可編程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作為當今工業自動化三大支柱之一，隨著PLC技術的廣泛應用，企業迫切需要大量PLC應用技術人才[1]。目前各類高職院校都開設PLC課程，由于該課程是集理論基礎知識和實際操作技能于一體，實踐操作性很強。在實踐教學過程中，需要學生根據各種工業控制對象的工作流程，通過觀察對象的動作情況來驗證編寫的PLC程序是否正確。但由于受到實驗設備的價格、體積和實驗室管理等各種條件的限制，我們很難在實驗室配備較全面的工業控制對象，因而制約了實驗項目的數量和質量[2]。

隨著虛擬技術和計算機仿真技術的快速發展，我們可以充分利用計算機軟件構造各種模擬實際工業環境的虛擬實驗對象，這樣的實驗內容不受實驗設備價格和管理的限制，教師可以方便增加和更新實驗項目，而且學生也可以不受時間和場地的限制，隨時隨地進行PLC編程及調試，是一種新型和有效提高PLC教學效果的實驗系統。

1 PLC虛擬實驗系統

PLC實驗系統可分為PLC仿真實驗系統、全實物的PLC實驗系統和PLC虛擬實驗系統等，這三種類型實驗系統有各自的優缺點，在不同階段對學生的PLC編程能力、分析問題和解決問題的能力起著重要的推動作用。

PLC仿真實驗系統不需要連接真實的CPU和控制對象，其主要是采用相關軟件對編寫的梯形圖進行仿真運行。首先學生在軟件上編寫PLC程序，然后將仿真調試軟件打開，把編寫好的梯形圖程序裝載并進行仿真運行。不同品牌PLC需要不同的仿真軟件，如三菱的GX Simulator6.0仿真軟件，支持三菱所有型號PLC；而西門子S7-PLCSIM仿真軟件，只支持西門子S7-300的PLC，如果學校PLC課程是以S7-200的PLC為學習的主體，那么這種仿真實驗系統就不能采用。

全實物的PLC實驗系統需要配置一定數量的PLC和各種實際被控對象。實際被控對象一般為廠家配備的實驗操作面板或銑床、鏜床、機械手和物料分揀等實物裝置。在實踐的教學中，首先學生根據設計的電路圖把PLC的I/O端與輸入信號、被控對象進行硬件連接，然后在電腦上編寫程序，并通過下載線把程序下載到PLC上，運行程序并觀察實際被控對象的動作。這種PLC實驗系統由于受設備價格、場地和管理等限制，學生需要分組分批進行實驗，學生的實際動手能力得不到很好的鍛煉，實驗教學效果也不理想。

PLC虛擬實驗系統在PLC仿真實驗系統上發展而來的，它主要是采用計算機仿真技術和虛擬現實技術相結合的實驗方法[3]，將三維的虛擬控制對象與PLC編程操作結合在一起，集成了程序的編寫、模擬調試和動畫演示等功能，具有很強的互動性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控組態軟件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同構建PLC虛擬實驗系統。雖然這套PLC虛擬實驗系統的應用，減輕實驗室對硬件設備和場地的依賴，提高了實驗的開放性和實時性。但由于該實驗系統只針對三菱PLC進行梯形圖編輯及在線調試，學生在學PLC課程同時還要學組態軟件，這樣不但增加教師的教學任務量，同時還大幅提高課程的學習難度。

基于上述三種PLC實驗系統各自的優缺點，課程組成員聯合校企單位共同開發一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬現實技術的PLC虛擬實驗系統，該系統不僅能支持3D虛擬對象還能控制實際被控對象。現本文就介紹一種在該虛擬實驗系統的基礎上構建PLC虛擬實驗室建設方案。

2 PLC虛擬實驗室建設方案

PLC虛擬實驗室構建框圖如圖1所示，學生先在STEP7或Works2軟件中編寫好PLC程序并進行保存，然后通過數據線下載到類PLC，類PLC通過串口通信將數據發送給虛擬被控對象或實際被控對象，被控對象在信號的控制下進行相應的運動，而虛擬或實際被控對象的運行參數，反過來通過類PLC及接口板的處理反饋到程序中，實現閉環控制。我們圖中的類PLC及接口板是采用嵌入式技術開發的類似于PLC的實驗裝置，它不但能同時支持虛擬和實際兩種被控對象，而且由于其成本低廉和體積小等特點，學生使用和攜帶都比較方便。

3 PLC虛擬實驗室建設案例

根據PLC教學中或工業中較常用的控制對象，采用Unity3D軟件進行液體混合裝置、十字路口交通燈、六路智能搶答器和三自由度機械手等15種虛擬控制對象的實驗平臺開發。下面我們以“智能家居控制”實驗為案例，介紹PLC虛擬實驗室的建設與使用方法。“智能家居控制”實驗主要針對定時器指令編程，當按下系統啟動按鈕后，電視機、窗簾和空調安裝一定時間間隔打開，按下停止按鈕關閉所有家電。首先學生根據系統中實驗的控制要求，在虛擬實驗平臺進行I/O表的分配及電路設計，具體步驟如圖2所示；接著在STEP7或WORKS2軟件中進行PLC程序的編輯、編譯與保存，然后通過USB數據線將程序載入到類PLC中，類PLC通過處理將控制數據發送給虛擬控制對象，而虛擬控制對象根據發送的指令進行以動畫的形式實時表現程序的運行結果，系統則根據運行結果參照控制要求，自動給出正確或錯誤的提示說明。具體的調試結果如圖3所示，這樣的實驗過程不但能讓學生不斷地進行程序的修改、調試直至滿足控制要求，從而提高學生的PLC編程水平和解決問題的能力[5]，而且還能節省教師的檢查時間，提高課堂教學的有效性。

4 結語

該文介紹一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實驗室建設方案和使用方法，它不僅能實現系統I/O表的分配、電路的設計、程序設計和運行調試等實驗內容，而且還能同時支持虛擬和實際兩種被控對象。該方案的實施，節省了實驗經費，改變學生的實驗場地、實現移動式實驗，提高了實際動手能力、改善了教學效果。

參考文獻

[1] 廖常初.S7300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 楊奕.PLC虛擬對象的設計與應用[J]. 微計算機信息，2005（34）：39-40.

[3] 王嘯東.PLC虛擬實驗室的研究與建設[J].實驗室研究與探索，2012（9）：210-213.

[4] 王銘城.FX-TRN-BEG-CL仿真軟件在PLC教學中的作用[J].教師，2010（21）：73-74.

[5] 林育茲，鮑平.可編程序控制器原理及邏輯控制[M].北京：機械工業出版社，2005.

[6] 三菱公司.系列PLC用戶手冊[M].上海：上海電機自動化（上海）有限公司，2005.endprint

摘 要：該文是依托PLC校教改課題和實驗室建設項目，在分析三種PLC實驗系統優缺點基礎上，設計與實現了一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實驗室的建設方案，該方案只需要計算機、類PLC和相關軟件就能完成PLC控制系統的I/O表分配、電路設計、程序的設計和運行調試等實驗內容，是一種高效、價格低廉、訓練效果良好的PLC實驗系統。

關鍵詞：虛擬實驗室 STEP7或Works2軟件 類PLC 控制對象

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0003-02

可編程序控制器（Programmer Logic Controller，PLC）作為當今工業自動化三大支柱之一，隨著PLC技術的廣泛應用，企業迫切需要大量PLC應用技術人才[1]。目前各類高職院校都開設PLC課程，由于該課程是集理論基礎知識和實際操作技能于一體，實踐操作性很強。在實踐教學過程中，需要學生根據各種工業控制對象的工作流程，通過觀察對象的動作情況來驗證編寫的PLC程序是否正確。但由于受到實驗設備的價格、體積和實驗室管理等各種條件的限制，我們很難在實驗室配備較全面的工業控制對象，因而制約了實驗項目的數量和質量[2]。

隨著虛擬技術和計算機仿真技術的快速發展，我們可以充分利用計算機軟件構造各種模擬實際工業環境的虛擬實驗對象，這樣的實驗內容不受實驗設備價格和管理的限制，教師可以方便增加和更新實驗項目，而且學生也可以不受時間和場地的限制，隨時隨地進行PLC編程及調試，是一種新型和有效提高PLC教學效果的實驗系統。

1 PLC虛擬實驗系統

PLC實驗系統可分為PLC仿真實驗系統、全實物的PLC實驗系統和PLC虛擬實驗系統等，這三種類型實驗系統有各自的優缺點，在不同階段對學生的PLC編程能力、分析問題和解決問題的能力起著重要的推動作用。

PLC仿真實驗系統不需要連接真實的CPU和控制對象，其主要是采用相關軟件對編寫的梯形圖進行仿真運行。首先學生在軟件上編寫PLC程序，然后將仿真調試軟件打開，把編寫好的梯形圖程序裝載并進行仿真運行。不同品牌PLC需要不同的仿真軟件，如三菱的GX Simulator6.0仿真軟件，支持三菱所有型號PLC；而西門子S7-PLCSIM仿真軟件，只支持西門子S7-300的PLC，如果學校PLC課程是以S7-200的PLC為學習的主體，那么這種仿真實驗系統就不能采用。

全實物的PLC實驗系統需要配置一定數量的PLC和各種實際被控對象。實際被控對象一般為廠家配備的實驗操作面板或銑床、鏜床、機械手和物料分揀等實物裝置。在實踐的教學中，首先學生根據設計的電路圖把PLC的I/O端與輸入信號、被控對象進行硬件連接，然后在電腦上編寫程序，并通過下載線把程序下載到PLC上，運行程序并觀察實際被控對象的動作。這種PLC實驗系統由于受設備價格、場地和管理等限制，學生需要分組分批進行實驗，學生的實際動手能力得不到很好的鍛煉，實驗教學效果也不理想。

PLC虛擬實驗系統在PLC仿真實驗系統上發展而來的，它主要是采用計算機仿真技術和虛擬現實技術相結合的實驗方法[3]，將三維的虛擬控制對象與PLC編程操作結合在一起，集成了程序的編寫、模擬調試和動畫演示等功能，具有很強的互動性[4]。目前在高校中，大都采用以三菱工控組態軟件GT Designer2、GT simulator2 和三菱GX Works2、GX Simulator2共同構建PLC虛擬實驗系統。雖然這套PLC虛擬實驗系統的應用，減輕實驗室對硬件設備和場地的依賴，提高了實驗的開放性和實時性。但由于該實驗系統只針對三菱PLC進行梯形圖編輯及在線調試，學生在學PLC課程同時還要學組態軟件，這樣不但增加教師的教學任務量，同時還大幅提高課程的學習難度。

基于上述三種PLC實驗系統各自的優缺點，課程組成員聯合校企單位共同開發一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬現實技術的PLC虛擬實驗系統，該系統不僅能支持3D虛擬對象還能控制實際被控對象。現本文就介紹一種在該虛擬實驗系統的基礎上構建PLC虛擬實驗室建設方案。

2 PLC虛擬實驗室建設方案

PLC虛擬實驗室構建框圖如圖1所示，學生先在STEP7或Works2軟件中編寫好PLC程序并進行保存，然后通過數據線下載到類PLC，類PLC通過串口通信將數據發送給虛擬被控對象或實際被控對象，被控對象在信號的控制下進行相應的運動，而虛擬或實際被控對象的運行參數，反過來通過類PLC及接口板的處理反饋到程序中，實現閉環控制。我們圖中的類PLC及接口板是采用嵌入式技術開發的類似于PLC的實驗裝置，它不但能同時支持虛擬和實際兩種被控對象，而且由于其成本低廉和體積小等特點，學生使用和攜帶都比較方便。

3 PLC虛擬實驗室建設案例

根據PLC教學中或工業中較常用的控制對象，采用Unity3D軟件進行液體混合裝置、十字路口交通燈、六路智能搶答器和三自由度機械手等15種虛擬控制對象的實驗平臺開發。下面我們以“智能家居控制”實驗為案例，介紹PLC虛擬實驗室的建設與使用方法。“智能家居控制”實驗主要針對定時器指令編程，當按下系統啟動按鈕后，電視機、窗簾和空調安裝一定時間間隔打開，按下停止按鈕關閉所有家電。首先學生根據系統中實驗的控制要求，在虛擬實驗平臺進行I/O表的分配及電路設計，具體步驟如圖2所示；接著在STEP7或WORKS2軟件中進行PLC程序的編輯、編譯與保存，然后通過USB數據線將程序載入到類PLC中，類PLC通過處理將控制數據發送給虛擬控制對象，而虛擬控制對象根據發送的指令進行以動畫的形式實時表現程序的運行結果，系統則根據運行結果參照控制要求，自動給出正確或錯誤的提示說明。具體的調試結果如圖3所示，這樣的實驗過程不但能讓學生不斷地進行程序的修改、調試直至滿足控制要求，從而提高學生的PLC編程水平和解決問題的能力[5]，而且還能節省教師的檢查時間，提高課堂教學的有效性。

4 結語

該文介紹一種基于STEP7或Works2編程軟件、類PLC和虛擬控制對象的PLC虛擬實驗室建設方案和使用方法，它不僅能實現系統I/O表的分配、電路的設計、程序設計和運行調試等實驗內容，而且還能同時支持虛擬和實際兩種被控對象。該方案的實施，節省了實驗經費，改變學生的實驗場地、實現移動式實驗，提高了實際動手能力、改善了教學效果。

參考文獻

[1] 廖常初.S7300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 楊奕.PLC虛擬對象的設計與應用[J]. 微計算機信息，2005（34）：39-40.

[3] 王嘯東.PLC虛擬實驗室的研究與建設[J].實驗室研究與探索，2012（9）：210-213.

[4] 王銘城.FX-TRN-BEG-CL仿真軟件在PLC教學中的作用[J].教師，2010（21）：73-74.

[5] 林育茲，鮑平.可編程序控制器原理及邏輯控制[M].北京：機械工業出版社，2005.

[6] 三菱公司.系列PLC用戶手冊[M].上海：上海電機自動化（上海）有限公司，2005.endprint