触摸屏仿真在PLC课程实践教学中的应用

◎ 罗慧芳 方晓毅

可编程控制器简称PLC，将传统的继电器控制技术和计算机控制技术、通讯技术融为一体，具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、环境适应能力强等特点，已成为工业控制的标准设备应用于工业自动控制中。鉴于PLC在工业自动化中的重要地位，各院校电专业普遍都开设了PLC及相关课程。PLC的特点决定了这门技术实践性非常强，PLC程序只有与被控对象结合才能实现其设计目的，因此实验环节非常重要。但PLC实验设备价格昂贵且体积庞大，受经费、空间、时间的限制，实体设备很难满足学生加强实践能力锻炼的需要。因此，有必要建设PLC仿真实验平台。

一、仿真环境的搭建

目前，国内应用较多的小型化PLC主要是西门子、三菱系列，而三菱FX2N系列PLC由于其功能指令丰富，编程调试方便在国内高校PLC教学中应用较多。本文以三菱公司的FX2N系列PLC为例加以说明。

要建立PLC的仿真实验环境，首先要安装PLC和触摸屏的相关设计仿真软件。其名称功能如表1所示。软件选择不需完全一致，但要注意其版本和语言的一致性。软件安装时要先安装PLC编程软件和触摸屏设计软件，再安装PLC和触摸屏的仿真软件。

表1 仿真环境相关软件

软件环境安装完毕后，即可开始利用GX Developer设计PLC梯形图或状态转移图程序，利用GT designer设计好触摸屏界面，启动PLC逻辑测试和触摸屏仿真进行PLC和触摸屏的联合仿真调试。

二、仿真系统设计实例

一小车自动往返系统设计，控制要求为：小车在A处装料后，按启动按钮SB1，小车开始前进到B处并压合SQ1，停5秒，工作人员卸料；5秒后小车自动后退，运行到A处并压合SQ2，停7秒，工作人员装料；7秒后小车自动前进。如此反复循环工作，当小车第6次压合SQ2时停止工作。若再次按下SB1则重复上述工作过程。根据题目要求设计步骤如下。

1.建立软元件分配表

按照题意建立软元件分配表如表2所示。

表2 软元件分配表

2.用GT designer设计触摸屏界面

打开GT designer后注意选择PLC类型为MELSEC-FX，为后面和FX2NPLC的连接做好准备。由于GT Simulator只能仿真GT11系列触摸屏，所以触摸屏类型必须选择为GT11系列。利用GT designer设计的被控对象界面如图1所示。

图1 触摸屏仿真设计界面

图中按钮和限位开关使用了位开关控件用于操作输入软元件，以实现输入单元的控制功能。控件中可以选择添加其自带的图形库以实现更加直观的指示作用。将位开关的动作设置为点动模拟按钮的动作过程，将位开关设置为交替模拟限位开关的动作过程，交替动作还需要设置其指示灯为位功能，并且填入相应的的软元件名称。按钮和开关的通断可以通过控件颜色直观显示。

图中小车的前进后退运行指示使用了位指示灯控件，填入相应的软元件名称，并通过调用自带图形库symbol中的左右箭头作为方向指示。同样指示灯通过颜色直观显示当前运行状态。循环次数和装卸料时间显示利用了数据显示和数据输入控件设计，用数据输入控件可提高调试效率，如需要在调试时修改当前的循环次数，可点击数据输入控件在弹出的数值修改框中直接修改软元件C0的当前值。利用文本控件加入必要的文字说明，利用直线、矩形框控件整理美化仿真界面。

3.利用GX Developer设计PLC程序

PLC程序的设计主要有梯形图、状态转移图（SFC）两种方式。对于初学者，面对较复杂的程序使用梯形图进行设计不仅很难下手，而且花了较多时间与精力，也难编出效率较高、质量也较高的程序。而利用状态转移图，只需要设计出各种状态以及各个状态之间的转移条件，初学者就可以很快编出十分高效可靠的程序，而且调试直观方便。利用GX Developer设计状态转移图操作非常方便高效，且设计完成后如果需要可通过设置直接转化为梯形图和指令表。图2为本例的状态转移流程图，图3为利用GX Developer设计的状态转移图。

图2 状态转移流程图

图3 状态转移设计图

4.仿真调试过程

启动GX Developer的逻辑测试功能，进入PLC的模拟运行状态。此时可以通过软元件登录监视来监测软元件运行状态或者修改输入软元件状态以达到控制目的，但此方法操作起来很不方便且不直观。打开GT Simulator，选择前面设计好的触摸屏仿真界面，进入PLC触摸屏联合模拟调试运行。在触摸屏界面中，可以通过设计的按钮和开关来进行相应的控制输入，利用数值显示和修改控件来显示或修改PLC内部软元件，利用指示灯控件显示相应的输出软元件状态。图4左边仿真界面显示小车已循环运行三次，当前处于左限位装货延时状态，已延时2.1秒，与图4右边状态转移图所处S23状态相对应。

图4 调试过程的仿真界面

在本例中具体调试步骤如下：（1）接通左限位开关（亮），按下启动按钮，小车前进指示灯点亮表示小车此时正在前进。（2）断开左限位开关（灭），接通右限位开关（亮），小车前进指示灯灭表示小车停止前进，同时卸料定时开始自动计时并在触摸屏界面上直观的显示当前计时时间。（3）计时时间到，小车后退指示灯亮表示小车开始后退。（4）断开右限位开关（灭），接通左限位开关（亮），小车后退指示灯灭表示小车停止后退，循环计数器值加一并显示在触摸屏界面上，同时装料定时开始自动计时并在触摸屏界面上直观显示当前计时时间。（5）卸料定时时间结束，小车前进指示灯点亮表示小车又开始前进，开始一轮新的循环，此时也可以通过修改循环计数器的值，来达到简化调试步骤，加快调试过程。（6）调试过程中，在GX Developer上可通过设计的状态转移图上监测到当前所处的状态以及外部控制条件的变化引起各个状态之间的转移变化，根据当前状态的输出和状态转移是否正确可快速定位运行不正常的程序段。

5.连接实际PLC和实际被控对象的调试过程

上述过程仅需一台电脑即可完成整个仿真调试过程，这样前面这部分设计过程学生可以在课余时间自行完成。但此方法并不仅仅只能用于软件仿真，将PLC程序下载到PLC之后，启动GTdesigner改变仿真选项中的连接方式为CPU，即可实现与PLC进行通讯，相当于给被控对象添加了一台昂贵的触摸屏。此时可以利用触摸屏仿真界面实时显示当前运行状态，内部定时器和计数器的值，来辅助外部实际被控对象，加快PLC程序调试过程。此方法增强了实验设备的功能，提高了调试效率。利用外设之后，触摸屏界面不再可以操作输入软元件如按钮和开关等，只能显示输入输出软元件状态，但仍可以修改PLC内部软元件，如计数器、定时器等内部软元件的当前值。

利用PLC和触摸屏仿真构建PLC仿真调试环境，大大提高了PLC程序设计和调试的效率，取得了良好的效果。学生课后在电脑上自行设计调试好PLC实验程序和实验界面，实验课上再联机调试，不仅加深了理解，提高了学习的主动性，而且大大缩短了单个实验课时，提高了教与学的效率。同时该方法也可缓解学校经费投入、空间限制导致的实验设备台套数不足的问题。

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