基于组态技术的PLC等效电路虚实结合仿真设计

周英华 郑川江 江丽丽

摘  要：随着信息技术的不断发展，教学改革的不断深入，特别是《电气控制与PLC》这类理实一体课程，常规单一的板书教学方式难以实现良好的教学效果，已不能适应现代教育的需要。本文阐述了基于组态技术的PLC等效电路虚实结合仿真设计，应用于教学中让学生易懂、易学，激发学生学习兴趣，提高学习效果。

关键词：虚拟结合仿真技术;PLC;等效电路

PLC（可编程控制器）是通用的工业用计算机，因其具有高可靠性、强抗干扰能力，系统设计调试方便、操作维护简单等特点，已取代常规控制电路，而被广泛应用在工业化生产的各个领域。

对于非计算机专业的学生和初学者来说，由于缺乏计算机系统知识，抽象的教学内容，难以理解PLC工作原理和工作过程，给学习带来很大障碍。虚实结合的仿真技术可以逼真地模拟PLC等效电路工作过程，通过形象、生动、具体的模拟情景有利于学生掌握和深入理解PLC的工作方式、编程方法，激发学生的学习兴趣，提高了学生动手操作的积极性和学习效果。

本文基于组态技术以三菱PLC控制三相电动机启动运行，5S后自动停止运行为例，设计了PLC等效电路虚实结合仿真系统。

1、仿真系统的软、硬件系统（实际部分如图1）

主电路：三相电源经交流接触器主触点接三相电动机。

PLC控制电路：三菱PLC，一个启动按钮接X0，一个停止按钮接X1，一个交流接触器线圈接Y0，  一个运行指示灯接y4，一个停止指示灯接X5。

PLC程序：略

该部分是实际电路部分，再PLC控制下，完成电机运行功能，同时与虚拟仿真系统部分互傳数据。

2、基于组态程序开发的虚实结合仿真系统

针对传统教学中存在的枯燥、死板的教学模式以及各种危险实验对学生产生的抵触学习的情绪，虚拟仿真教学使学习者体验置身其中的感觉，能够实现互动实验教学，具有安全直观性、共享性、重复性，能最大限度地激发学生的自主学习、实验兴趣。

画面仿真了常规控制电路和PLC控制电路。电路的启动运行可以通过实际按钮启动运行和停止，也可通过鼠标按钮操作。

仿真画面1可分别仿真常规控制电路和PLC控制电路的工作过程，以动画形式演示。主要是容易理解常规控制电路和PLC控制电路的接线区别、特点及控制方式的异同。常规控制电路是靠具体的实际接线实现逻辑控制关系，PLC控制电路是靠PLC内部程序实现逻辑控制关系，实现控制目标是一致的。

PLC内部等效为3个电路，3个电路没有电之间的直接关系，靠触点进行逻辑联系。

输入电路部分：PLC内部等效X继电器线圈及外部开关电路。按端口X的输入按钮（也可通过鼠标按仿真画面中的按钮操作），PLC内部相应的X继电器线圈得电就变红闪烁，电流流动。同时控制部分的相应X继电器的触点发生动作改变。

控制电路部分：每行由各触点的串、并联及线圈组成。触点根据据对应的线圈有电否闭合或断开（闭合阴影显示），当线圈有电时变红闪烁，电流流动。控制部分、输出部分对应的触点动作。

输出电路部分：PLC内部等效Y继电器的触点、外部的交流接触器线圈、指示灯及电源组成。当控制部分中输出Y线圈得电时，输出部分对应触点动作接通被控制设备，被控制设备得电工作，当线圈有电时变红闪烁，电流流动。

虚拟仿真画面可接受PLC及外设的实时数据，也可脱离外设实时数据，进行虚拟信号仿真。虚拟仿真画面可3个电路整体运行，也可进行某个电路、元件单独仿真运行。

一、虚实结合仿真系统的实现

组态王kingview是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，它不但实现对现场的实时监测与控制，也可进行虚拟控制的设计开发。

（1）建立画面。利用工具箱图形元素，构建被控对象及PLC等效电路元件和电路如图2、如图3。

（2）定义数据变量。根据要求，定义各种开关量、线圈等输入量和输出量对象，建立实时数据库。

（3）设计动画连接。设置工程画面中各图形的属性，使其与实时数据库的对象建立起对应的关系。

（4）建立与三菱FX2NPLC连接。在设备窗口COM1添加PLC设备，并设置设备相关属性，实现与三菱FX2NPLC实时通信。

（5）编制仿真脚本程序

if（＼＼本站点＼按钮启动==1）

＼＼本站点＼流动1=5;

else

{＼＼本站点＼流动1=0;}

if（＼＼本站点＼按钮启动==1）

＼＼本站点＼X0线圈=1;

else

＼＼本站点＼X0线圈=0;

if（＼＼本站点＼停止按钮==1）

＼＼本站点＼X1线圈=1;

else

＼＼本站点＼X1线圈=0;

if（＼＼本站点＼开关1==1）

＼＼本站点＼X2线圈=1;

else

＼＼本站点＼X2线圈=0;

if（＼＼本站点＼Y0线圈==1||＼＼本站点＼X0线圈==1）

＼＼本站点＼M0线圈=1;

else

＼＼本站点＼M0线圈=0;

if（＼＼本站点＼M0线圈==1&&＼＼本站点＼X1线圈==0）

＼＼本站点＼Y0线圈=1;

else

＼＼本站点＼Y0线圈=0;

if（＼＼本站点＼Y0线圈）

＼＼本站点＼流动量=5;

else

＼＼本站点＼流动量=0;

if（＼＼本站点＼Y0线圈&&＼＼本站点＼运行）

＼＼本站点＼Y1线圈=1;

else

＼＼本站点＼Y1线圈=0;

if（＼＼本站点＼Y0线圈==0&&＼＼本站点＼运行）

＼＼本站点＼Y2线圈=1;

else

＼＼本站点＼Y2线圈=0;

if（＼＼本站点＼Y0线圈&&＼＼本站点＼T0）

{＼＼本站点＼计时=＼＼本站点＼计时+1;}

else

＼＼本站点＼计时=0;

if（＼＼本站点＼计时==80）

{＼＼本站点＼Y0线圈=0;

＼＼本站点＼计时=0;}

if（＼＼本站点＼Y0开关&&＼＼本站点＼运行==0）

＼＼本站点＼Y0线圈=1;

if（＼＼本站点＼Y0开关==0&&＼＼本站点＼运行==0）

＼＼本站点＼Y0线圈=0;

if（＼＼本站点＼Y1开关&&＼＼本站点＼运行==0）

＼＼本站点＼Y1线圈=1;

if（＼＼本站点＼Y1开关==0&&＼＼本站点＼运行==0）

＼＼本站点＼Y1线圈=0;

if（＼＼本站点＼Y0开关==1&&＼＼本站点＼运行==1）

＼＼本站点＼运行灯=1;

……. …….

三、虚实结合的仿真技术在PLC教学中取得的成果

（1）减少了学习PLC的难度，深刻理解了PLC内部的工作原理，电路、元件之间的逻辑关系。虚拟仿真技术直观、生动，将抽象的程序形象化、具体化。

（2）虚实结合，增强了学习兴趣和主动性。在理论学习的同时，学生可进行PLC实际接线和操作，理论和实践高度结合。

（3）为后续的PLC的编程打下了坚实基础。

（4）虚实结合的仿真系統可脱离开发程序，打包后，方便安装运行。

结语：

将虚实结合仿真技术应用到PLC等效电路学习中，极大的解决了PLC学习中“看不见，摸不着，难理解”困惑，直观、形象、生动地展现了PLC内部工作过程和控制效果，提高了学生学习兴趣，提升了教学质量。本虚拟系统可供学生自主学习使用，丰富了学习内容。

参考文献

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[2] 张宏伟，王新环.虚拟仿真技术在现代电气控制教学中的应用[J].实验室科学，2018，21（1）：89-92.

[3] 金启彦.PLC虚拟实训平台的设计与应用[J].科技风2021.8

[4] 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.

作者：   周英华（副教授）   郑川江（讲师）   江丽丽（讲师）

（云南水利水电职业学院    云南  昆明  650202）