虚实结合的PLC实验系统开发

何 俊，夏 斌

(四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)

可编程逻辑控制器(PLC)在国内外被广泛运用于工业控制的各个方面，如机械、汽车、电力及化工等。机械设计制造及其自动化专业是一个以机械工业实践为基础的专业，PLC作为机械行业实现自动化的重要控制器，需面向学生开展丰富的实验教学，通过实验教学培养学生的实践能力和创新能力，是提高教学质量的重要环节[1－2]。但由于实验设备功能和数量的限制，目前各高校PLC实验的开出数量和质量远不能满足课程教学的需要。常见的PLC实验主要依托小型PLC设备，通常是购买的成套设备，PLC编程项目受设备限制，其端子已被固接，不能按需求自由设计实验项目。而且由于实验用PLC功能及场地经费限制，无法开展较大型设备的PLC编程实验[3]。为了解决目前PLC实验项目实验设备的限制问题，本文设计开发了基于触摸屏、PLC、步进电机丝杠、变频电机及PID温度模块的虚实结合的实验系统。该系统既方便指导教师依托专用软件编制各种实验项目，借助触摸屏模拟多种设备运行情况，同时也配备常见的被控对象实体，形象直观，虚实结合，以强化学生对常见控制对象的理解和锻炼编程能力，达到提升实验效果的目的。

1 高校PLC实验系统分析

目前，市面上有各种机电一体化设备是PLC实验理想的实验对象，形象直观，且还有多种虚拟软件可以不用借助任何硬件开展实验。各高校开展PLC编程实验，通常采用下面3种模式。

1)借助各种机电一体化设备，实验系统由PLC、接口电路、机械本体和传感器构成。我们可以通过在计算机上编写梯形图，通过接口导入，运行程序。这种方法可见性和操作性强，但由于设备数量和设备功能等限制，实验教学一般只能分组进行[4]，教学效果不理想。

2)借助计算机、PLC和转接板等构建仿真实验系统，其被控对象虚拟化，可通过VB、VC等可视化编程软件[5]或组态王[6]等专用工控组态软件制作被控对象，减少机械本体，节约经费和减少安全隐患，在过程控制实验和智能交通实验方面应用广泛[7－8]。但软件开发周期较长，且不直观。

3)在PC机上通过软件模拟PLC程序和机械本体动作。这种方法采用计算机技术和虚拟现实技术[9]，不依赖任何硬件。此方法投入最少，但没有真实的PLC动作，偏离了PLC教学本意。

以上3种模式，各有优缺点。为此本实验系统开发结合了以上各种方法的优点，采用虚实结合的方式及目前工业中广泛运用的工业触摸屏作为上位机，实现对系统的操作和监控[10]。采用真实的西门子PLC作为下位机，并且加入机械行业常用的变频电机、步进电机丝杠等作为控制对象之一，既可降低实验设备成本，又具有一定直观性，同时还可以自由设定实验项目，可以充分发挥实验效果。

2 实验系统构架

图1 PLC实验系统结构图

整个实验系统中，启停开关作为每个实验项目启动与停止的总开关，蜂鸣器作为报警使用，上位机HMI通过RS485接口与PLC实现通信，把触摸屏界面的控制信号传送给PLC，并将PLC反馈的信号加以显示达到监控目的。变频电机、步进电机和温度模块等为被控实体，直接受控于PLC。此实验系统，既可以自由编制多种实验项目，如大家非常熟悉的交通灯、电梯等，同时也可专门针对步进电机和变频电机控制开展实验项目，还可以虚实结合进行自动化设备模拟等实验。学生在实验时，可以选择自己感兴趣的实验项目，根据老师提供的端口地址，编制梯形图程序，导入运行后即可对程序进行检查和修正。

3 实验系统实现方法

本实验系统由工业触摸屏为上位机，实现人机交互和监控，设备上常用的开关按钮和指示灯等常见本体在触摸屏上体现，既可以节省成本，又可以大大减少PLC端口的使用，还可以将现实中大家很熟悉的设备在触摸屏上虚拟演示，可以自由开发实验项目。可选用端口较少的小型PLC，通过与触摸屏配合使用可替代复杂的PLC使用。同时变频电机、步进电机、温度控制与检测在机械行业中运用广泛，设备价格也较低，以实物作为控制对象之一。整个实验系统构成如图1所示。

此实验系统主要由硬件和软件构成，硬件主要提供程序运行的载体和部分控制对象，软件主要是模拟各种真实本体动作的功能界面。

3.1 系统硬件组成

系统硬件构成主要包括电源模块、工业触摸屏、PLC、变频电机模块、步进电机模块及简单的控制开关。其中工业触摸屏采用维纶触摸屏，PLC选用西门子224XP，变频器为达400 W的变频器，电机为三相异步电机(带编码器)和42步进电机，温度模块由温度变送器、PT100温度传感器和热得快构成。整个系统电路图如图2所示。

图2 PLC实验系统电路图

受PLC控制，需要对变频器进行相应的设定，以满足控制要求，实验系统所用的变频器参数设定如表1所示。

表1 变频器参数设定

整个实验系统考虑到真实设备给学生的感触和虚拟现实的功能强大，采用真实廉价的PLC、小型变频器和三相电机、步进电机丝杠传感器套装、加热器和温度传感器作为真实的硬件组成，以模拟变频电机控制、步进电机丝杠控制和PID控制。PLC可通过3种方式控制变频器，即开关量控制、模拟量控制和通信控制。PLC控制继电器闭合实现开关量控制变频器，通过PLC模拟量模块实现模拟量控制，通过RS485接口实现通信控制。利用PLC的Q0.0端口输出高速脉冲，Q0.1端口输出方向信号控制步进电机运动，通过编码器向PLC的I0.0、I0.1端口输入计数脉冲来计算丝杠位移。PLC根据PID参数通过计算使Q0.5端口发出控制脉冲，控制加热器，实现温度控制。

3.2 上位机软件开发

触摸屏组态软件为我们进行控制界面开发提供了一种搭积木式的工具，可将各种控制对象抽象为基本图形和部件，通过组态建立控制关系，构建简洁直观的人机界面。本实验系统触摸屏组态软件开发采用维纶Easy Builder[11－13]组态软件，该软件操作容易，功能强大，可以轻松完成复杂的人机界面设计，在线模拟可节省时间，非常有利于开发多种控制界面以开展PLC实验。

触摸屏应用程序设计步骤为参数设置、图形界面设计、定义元件和设备、编译、在线模拟、下载和调试程序。控制界面设计时，首先需要进行通信参数设置，Easy Builder软件已经针对工业常用的PLC制作了相应的通信协议，本实验系统在软件中通信协议如图3所示。

图3 PLC与触摸屏通信协议

Easy Builder软件提供了大量常用功能元件，如位状态指示灯、位状态设置、位状态切换开关、多状态指示灯、多状态设置和数值等元件，这些元件可通过屏幕触摸来改变状态和按钮画面，也可通过读取PLC寄存器值来改变状态。利用位状态切换开关、位状态指示灯可模拟现实环境中常见的只有两种状态的按钮和指示灯。多位状态切换开关、多位指示灯可以模拟现实环境的多状态按钮和指示灯，同时可通过多状态切换来模拟动作过程，使界面更真实，更贴合实际。同时Easy Builder软件还提供报警、XY曲线图、历史事件显示和数据群组显示，可起到监控系统运行情况的作用。

如图4所示，展示了此实验系统触摸屏界面效果，学生实验时可根据自己的能力和喜好进行选择学习。在界面制作时，已经规定了界面各按钮和指示灯的地址，这里地址有别于真实PLC的I/O端口，它借助PLC内部的寄存器，如V、M作为I/O端口，当触碰界面开关时，触摸屏会自动改变开关状态并向相应的PLC地址写值，当指示灯对应的PLC地址值改变，触摸屏上显示灯状态也随之改变。

图4 触摸屏实验界面

此PLC实验系统操作界面遵循由浅入深的原则，首先通过彩灯及交通灯模拟掌握基础PLC编程的思路和技巧，学会PLC常用简单指令，如计时、计数、比较。之后针对机械行业常见的控制对象——变频电机和步进电机丝杠开展实验，掌握常用电机的PLC控制方法。此外，针对目前工业常用的PID控制，通过自己编制PID控制程序，掌握PID控制方法。最后，综合前面的知识，开展综合性实验，如电梯实验，不仅要实现按钮开关功能及信息显示，同时还需控制变频电机运转。机械手实验，需要控制步进电机实现手臂精确转动控制。

3.3 系统联合调试

Easy Builder软件自身具有离线模拟和在线模拟功能，同时还能监控界面所使用的地址，从而在界面的编制过程中模拟按钮指示灯动作和排除地址服务等问题，编译后界面可导入触摸屏中进行调试和观看效果。经本文测试和编制PLC程序调试，上述实验系统各部分运行正常，界面按钮和显示灯工作正常，触摸屏、PLC、电机和传感器等接线正确，变频器参数设定可以按实验要求驱动三相电机运动，系统完全实现用虚拟界面替代按钮、显示灯和大型贵重设备，同时本身又包含常用电机等的控制，虚实结合，扩展能力强，功能强大。如图5所示，为系统正常运行时的触摸屏界面状态。

图5 触摸屏运行状态界面

4 结束语

本文作者设计开发的虚实结合的PLC实验系统经过机械系大四年级三百多名同学的操作和一年的实际经验，该系统具有以下优势:1)将现代技术手段运用到教学中，让大家接触到工业触摸屏这种先进的工控设备；2)实现项目设计层级分明，针对性强，常见元件通过触摸屏虚拟，减少真实I/O端口使用，本专业常用控制对象实体化，方便掌握PLC对变频电机控制、步进电机控制、PID控制接线、PLC特殊端口使用、参数设置和PLC编程等方面的知识；3)由于使用的I/O端口较少，可以用低级的PLC实现高级PLC功能，实验项目可以自由设定，可以支持多种实验项目，有助于后续实验开发；4)有助于开放思维，由于此系统大量借助M、V寄存器实现功能，这些寄存器的运用和I、Q的运用有所不同，编程时尤其要注意，复杂设备的PLC编程也会借助大量的M、V寄存器，本实验系统有助于锻炼学生思维。

[1]丁明亮，丁金华，王德权，等.虚实结合的X－Y数控实训平台设计[J].实验技术与管理，2015，32(3):152－155.

[2]邢玲，徐健宁，董增文.虚实结合的大型设备PLC实验系统设计与开发[J].实验技术与管理，2015，32(11):121－124.

[3]董增文，邓晓华，张华.研究性教学在工科教育中的实践研究与反思[J].高等工程教育研究，2013(5):164－167.

[4]欧益宝.PLC实验系统构建模式研究[J].实验室研究与探索，2010，29(9):73－75.

[5]林志坚，沈萌红.基于虚拟仿真技术的PLC模拟实验系统[J].实验室研究与探索，2005(2):178－180.

[6]张婕，李浙昆.可编程控制器虚拟实验教学的研究[J].实验室研究与探索，2009，28(9):77－79.

[7]MATTI V，JUSSI H，JUHA K.Virtual learning environment concept for PLC－programming－case:building automation[C]//2010 2nd International Conference on Eaducation Technology and Computer.Shanghai:Institute of Electrical and Electronics Engineers，2010.

[8]WANG H Q， XING Y Q， XIAO T.The control of belt grinder which based on the touch screen and PLC[C]//International Conference on Computer Application and System Modeling.Taiyuan:Institute of Electrical and Electronics Engineers，2010.

[9]李志强.基于LabVIEW的虚拟实验室研究[J].实验室研究与探索，2010，29(9):73－75.

[10]吴迎春，徐连强，张家骅.触摸屏和PLC在物料分拣系统中的应用[J].电气与自动化，2012，41(2):171－173.

[11]李德宝，陈刚.PLC与触摸屏在排气机监控系统中的应用[J].仪表技术，2008(10):24－26.

[12]秦宗权，樊瑜瑾，李爱冉，等.基于 PLC的经济型母线圆角机控制系统研发[J].机电一体化，2014，20(7):34－37.

[13]严龙伟.基于触摸屏的电动机远程控制的设计与实现[J].数控技术，2014，9(10):3－5.