徐文濤

組態(tài)軟件在PLC仿真實驗中的應(yīng)用

徐文濤

（臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺州318020）

PLC課程對實踐操作要求較高，但受限于條件，在工業(yè)現(xiàn)場中普遍使用的受控對象，如：管道、液壓閥、傳感器、反應(yīng)釜、升降機、傳送帶等難以在實驗室中實現(xiàn)。為突破以上限制，在PLC課程中引入了組態(tài)軟件來仿真工業(yè)控制中的各種受控對象，并以化學(xué)反應(yīng)釜的控制為例，對該虛擬仿真實驗方法進行說明。該虛擬仿真實驗方法已用于實驗教學(xué)并取得了良好的效果。

組態(tài)軟件；PLC；仿真實驗

隨著我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型、升級以及工業(yè)4.0的逐步推進，可編程控制器（Programmable Logic Controller，為敘述方便后文皆簡稱PLC）在工業(yè)自動化領(lǐng)域的使用越發(fā)普及。熟練掌握可編程控制器的使用，能從事自動化系統(tǒng)設(shè)計、實施的從業(yè)人員一直是相關(guān)企業(yè)的緊缺型技能人才。

PLC技術(shù)是一門實踐性很強的學(xué)科，教學(xué)、實驗內(nèi)容必須結(jié)合生產(chǎn)實踐中的典型案例進行有針對性的強化訓(xùn)練才能培養(yǎng)出勝任企業(yè)一線崗位的人才[1]。因此，在PLC課程中必須強化實踐操作，但受限于條件，在工業(yè)現(xiàn)場中普遍使用的控制對象，如：管道、液壓閥、傳感器、反應(yīng)釜、升降機、傳送帶等難以在實驗室中實現(xiàn)。

針對以上限制，在PLC課程中引入了組態(tài)軟件來仿真工業(yè)控制中的各種受控對象。采用PLC與組態(tài)軟件結(jié)合的方式，學(xué)生先在組態(tài)軟件中搭建好虛擬的受控對象，然后在PLC中編入控制程序，PLC在運行過程中與組態(tài)軟件進行通信、交互，即可在計算機屏幕上生動的呈現(xiàn)控制過程[2]。事實上，由于組態(tài)監(jiān)控軟件在工業(yè)自動化、信息化方面的優(yōu)勢，已經(jīng)被各行業(yè)廣泛使用。采用這種方案為PLC課程的教學(xué)與實驗帶來了很大的方便，也能為學(xué)生將來就業(yè)添加砝碼。

1 利用組態(tài)軟件實現(xiàn)PLC仿真實驗的可行性分析

利用組態(tài)軟件之所以可以實現(xiàn)PLC仿真實驗，關(guān)鍵在于組態(tài)軟件中集成了幾乎所有主流PLC設(shè)備的驅(qū)動程序，并能通過各種通信協(xié)議（RS232、RS485、MODBUS、pFieldComm、Ethernet等）與PLC進行硬件通信。本文采用力控組態(tài)軟件ForceControl 6.1（上位機）與三菱PLC FX2N-48MR（下位機）完成仿真實驗，采用RS232電纜完成軟、硬件之間的通信。

通過硬件通信連接，在組態(tài)軟件中搭建的虛擬受控對象可接收來自PLC發(fā)出的控制信號，如開關(guān)信號、脈沖信號、數(shù)值信號等，同時也可以向PLC發(fā)出控制信號，從而得以真實反應(yīng)PLC和虛擬受控對象之間的動作關(guān)系。虛擬受控對象在計算機屏幕上通過動畫、儀表、數(shù)字等方式直觀的表現(xiàn)控制過程，并能通過按鈕、開關(guān)、數(shù)值輸入框等組件來控制PLC[2]。這種便捷、直觀的互動方式，為學(xué)生調(diào)試PLC程序帶來了很大的幫助，同時也擺脫了實驗條件限制的束縛?；赑LC和組態(tài)軟件的仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 基于PLC和組態(tài)軟件的仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)成

2 PLC仿真實例

2.1 虛擬仿真實驗流程

實驗開始前，學(xué)生根據(jù)實驗要求在組態(tài)軟件中創(chuàng)建虛擬受控對象，并進行數(shù)據(jù)連接、動畫連接以及編制相應(yīng)的動作腳本。以上操作可要求學(xué)生在課下預(yù)習(xí)時在自己電腦上完成，以節(jié)省時間。然后，根據(jù)實驗控制要求，利用所學(xué)知識編寫相應(yīng)的梯形圖程序并寫入到PLC中，以驗證虛擬受控對象的動作是否符合實驗控制要求。采用虛擬受控對象，可減輕學(xué)生的畏懼感和心理負(fù)擔(dān)，把精力集中在程序的編寫和調(diào)試上，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實際編程能力[3]。

基于組態(tài)軟件的PLC虛擬實驗，仿真實驗流程圖如圖2所示。

圖2 仿真實驗流程圖

2.2 應(yīng)用實例

本文以某化學(xué)反應(yīng)釜的控制為例，對基于組態(tài)軟件的PLC仿真實驗進行說明。上位機采用力控組態(tài)軟件ForceControl 6.1，下位機采用三菱PLC FX2N-48MR，通信方式為RS232串行通信。

液體混合裝置控制要求如下：

按下啟動按鈕，裝置投入運行：

A閥門打開，液體A流入容器，當(dāng)液面到達SL3時，SL3接通，關(guān)閉A閥門；

打開B閥門，液體B流入，液面到達SL2時，關(guān)閉B閥門；

打開C閥門，液體B流入，液面達到SL1時，SL1接通，關(guān)閉C閥門；

攪拌電機開始攪動（工作6秒后停止攪動），同時加熱器開始加熱，測溫傳感器檢測到達到60℃時，加熱停止；

閥門D打開，開始放出混合液體，當(dāng)液面下降到SL3時，SL3由接通變?yōu)閿嚅_，再過5秒后，容器放空，閥門D關(guān)閉，開始下一周期。

停止操作：按下停止按鈕后，待當(dāng)前的混合液操作處理完畢后，停止操作。

對控制要求進行分析后，即可在組態(tài)軟件中創(chuàng)建虛擬受控對象，并進行數(shù)據(jù)連接、動畫連接以及編制相應(yīng)的動作腳本。本實驗所創(chuàng)建的虛擬實驗裝置如圖3所示。

圖3 化學(xué)反應(yīng)釜虛擬實驗裝置

創(chuàng)建好虛擬受控對象后，需要在力控組態(tài)軟件中選擇三菱FX2N-48MR作為I/O設(shè)備，并設(shè)定串行通信的波特率等相關(guān)參數(shù)，以實現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)交換。此外還要在力控軟件中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫點，并將數(shù)據(jù)庫點和PLC的輸入、輸出點關(guān)聯(lián)起來，以實現(xiàn)二者的互動[4]。

在表1中數(shù)據(jù)庫點DO0-DO5，D10-D15均為數(shù)字點（只有1和0兩個狀態(tài)），為表達液位和溫度還需要設(shè)置2個模擬點，AI0代表反應(yīng)釜液位值，AI1代表反應(yīng)釜液位溫度值。

表1 PLC輸入、輸出點及數(shù)據(jù)庫點的分配

做好以上工作后，即可進行梯形圖程序的編制。該控制過程為典型的順序控制，可通過畫出順序功能圖來輔助程序編制。如圖4所示。

圖4 化學(xué)反應(yīng)釜控制的順序功能圖

按順序功能圖編織出梯形圖后，即可將梯形圖寫入PLC并啟動力控組態(tài)軟件，進行互動。如果程序不能實現(xiàn)所要求的控制功能，學(xué)生可反復(fù)修改程序，直至正確為止。PLC與力控組態(tài)軟件的互動過程可掃描文末的二維碼觀看。

3 結(jié)束語

利用本文所提出的基于組態(tài)軟件的PLC仿真手段，學(xué)生可以在計算機屏幕上直觀的感受工業(yè)控制過程。學(xué)生按要求編寫梯形圖程序并寫入到PLC中，馬上就可以驗證虛擬受控對象的動作是否符合要求。采用虛擬受控對象，可減輕學(xué)生的畏懼感和心理負(fù)擔(dān)，把精力集中在程序的編寫和調(diào)試上，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實際編程能力，同時也突破了實驗條件限制的限制。

本文所述的方法也可用于工業(yè)控制系統(tǒng)的開發(fā)階段，以提高開發(fā)效率。

[1]孫振強.可編程控制器原理與應(yīng)用教程[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]北京三維科技股份有限公司.力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceCon trol6.0參考手冊[M].北京：北京三維科技股份有限公司，2007．

[3]周永勤，周美蘭，顏景斌，等.基于組態(tài)技術(shù)虛擬被控對象的PLC仿真實驗研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2004，9（6）：7-9.

[4]張智杰，李瑩.組態(tài)軟件及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2002（1）：47－49.

Implement of Configuration Software in PLC Simulating Experiments

XU Wen-tao
（Taizhou Vocational College of Science and Technology，Taizhou Zhejiang 318020，China）

A lot of practice needed in PLC courses，but is limited by the conditions.Controlled objects are commonly used in the industrial field，such as piping，hydraulic valves，sensors，reaction vessels，lifts，conveyors and others difficult to implement in the lab.To break the limit above，we have introduced industrial control configuration software to simulate the controlled objects.A chemical reactor，for example，to describe the virtual simulation experiment method.Virtual simulation of the experimental method has been applied to the teaching and have achieved good results.

configuration software；PLC；simulating experiments

TP273

A

1672-545X（2017）02-0145-02

2016-11-08

2016年度臺州科技職業(yè)學(xué)院校級課題（TKY2016038）

徐文濤（1980-），男，湖北廣水人，碩士，助教，主要從事數(shù)控及機電自動化相關(guān)教學(xué)與科研工作。