1、PLC 課程教學試驗系統(tǒng)的發(fā)展

由于可編程邏輯控制器（PLC）應用廣泛，目前從職業(yè)培訓學院到工科大專院校都開設有PLC 課程。而PLC 是一門理論性、趣味性及實踐性都很強的課程，需要精講多練、開設與工業(yè)實際應用緊密結(jié)合的實驗課程、搭建良好的實驗平臺。實驗課程需要解決的關鍵在于PLC 的控制對象問題，目前存在不同形式的 PLC 教學實驗系統(tǒng)，基本上可分為三大類：

1.1 全實物的 PLC 實驗系統(tǒng)

完整的PLC控制系統(tǒng)是以實物PLC硬件及各種設備硬件（諸如繼電器、電機驅(qū)動，電機、傳感器）等按照工業(yè)實際連接方式進行組合，最后通過上位PC機與PLC的通信完成上位組態(tài)的實物模擬。實現(xiàn)這種實驗系統(tǒng)，學校或機構(gòu)需要購置足夠應用于實驗各環(huán)節(jié)的設備，要求相當高的資金投入。

1.2 以上位PC 機軟件與下位PLC 硬件結(jié)合構(gòu)成的實驗系統(tǒng)

將組態(tài)技術應用于虛擬PLC裝置的開發(fā)，運用組態(tài)軟件在PC機上全真模擬PLC的控制對象，以動畫形式演示PLC控制對象的工作過程。具有成本低、免維護、靈活多樣、形象直觀等優(yōu)點，很好地解決了傳統(tǒng)開設PLC實驗方法遇到的各種困難。其實驗系統(tǒng)構(gòu)成只需上位監(jiān)控PC機和下位的PLC硬件。但這種實驗方法因其無法脫離PLC硬件 ，仍需要在實驗室進行。

1.3 利用PLC仿真軟件，實現(xiàn)脫離PLC硬件的仿真實驗系統(tǒng)

此類初級實驗僅僅是能進行編程后的仿真，如三菱GX Developer提供的GX Simulator運行仿真。為了能夠如第二類方式一樣可以實現(xiàn)上位監(jiān)控和下位PLC的運行，國內(nèi)外學者已提出一些有效的全虛擬方法，諸如對于三菱PLC，采用基于GX Simulator與昆侖通態(tài)的組態(tài)軟件MCGS通過虛擬串口進行連接，實現(xiàn)全虛擬的上下位控制，但這種方法存在上下位控制速度慢的問題；另外對于西門子PLC, WinAC作為控制程序的運行引擎，VB語言編寫上位監(jiān)控界面程序，通過WinAC提供的“Computing”部件，采用Active控件第三方程序即可訪問控制程序中的過程數(shù)據(jù)，但由于需要VB另外編程，很不方便，其實用、遷移性不強。

針對以上問題，本文提出借助于易控組態(tài)軟件及MX Component，采用GX Developer作為編程平臺，利用GX Simulator構(gòu)建一種全虛擬PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)一種貼近工業(yè)實際的、先進的、方便的PLC實驗方法。以工業(yè)清洗機的控制系統(tǒng)為例，展現(xiàn)僅用一臺PC機如何完整實現(xiàn)具有上下位控制的PLC清洗機控制實驗。這種方法無需引入新的編程，只要掌握組態(tài)軟件的設計方法和PLC的編程方法即可，其編程方法、監(jiān)控模式、通道設置等與工業(yè)實際相同，使高水平PLC實驗得以脫離PLC實驗室而隨處實現(xiàn)，尤其在成人教育的業(yè)余及函授形式中，給學生提供了一種脫離實驗室全新的自學PLC控制系統(tǒng)的實驗形式，解決了PLC實驗的瓶頸問題，對PLC的普及教育具有良好的實際意義。并借助于易控組態(tài)軟件提出了一種實現(xiàn)全虛擬PLC的新方法，且提出一種改進的PLC教學實驗方法，該方法可使學生在學習PLC課程時更好的理解和運用PLC。最后通過對工業(yè)清洗機的應用，驗證了該方法的可靠性和實用性。

2、基于易控組態(tài)軟件的全虛擬PLC 教學實驗系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 基于易控組態(tài)軟件三菱PLC的全虛擬實驗系統(tǒng)實現(xiàn)步驟

基于易控組態(tài)軟件三菱PLC的全虛擬實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 全虛擬實驗系統(tǒng)

（1）首先安裝三菱的編程平臺GX Developer和GX Simulator仿真程序，安裝MXComponent和易控組態(tài)軟件（INSPEC）。（2） GX Developer是三菱的通用編程軟件，可完成三菱全系列PLC的編程、監(jiān)控、調(diào)試和維護工作，可支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB編程。

完成梯形圖的編制后，啟動梯形圖邏輯測試工具（LLT） ，則梯形圖程序?qū)懭胩摂MPLC的CPU中，且虛擬PLC自動置RUN狀態(tài)。（3） INSPEC是一種面向工業(yè)自動化的通用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的組態(tài)軟件，它能夠?qū)崿F(xiàn)對自動化過程和裝備的監(jiān)視和控制。根據(jù)實際現(xiàn)場的需要，在易控組態(tài)軟件平臺上進行上位監(jiān)控界面設計，依照易控組態(tài)軟件的應用要求繪制并連接各個畫面，建立基于易控組態(tài)軟件的監(jiān)控界面。（4）MX Component是三菱一款用于PC與PLC進行通信的軟件，MX Component支持個人計算機與可編程控制器之間的所有通信路徑，兼容多種高級語言諸如VisualC++ 、Visual Basic 和Access Excel 的VBA、 VBScript等，在易控組態(tài)軟件中就是應用MX Component與GX Simulator進行通信的。打開MX Component軟件，在MXComponent設置界面上將PC side I/F項后的下拉目錄選擇為GX Simulator項、將CPU type項后的下拉目錄選擇為FX2N(C)項。這種基于易控組態(tài)軟件和應用MX Component與GXSimulator握手通信方法很簡潔。經(jīng)過簡單設置后，可以通過MX Component運行界面上的Connection test項進行通道建立成功與否的檢測，當通道建立成功并進行檢測后可以看到虛擬通道連接成功的提示。

綜上所述，GX Simulator和易控組態(tài)軟件通過MX Component進行通信連接，建立基于易控組態(tài)軟件的監(jiān)控界面和GX Simulator的對應信息交互，最終實現(xiàn)仿真運行與上位監(jiān)控的對應關系，在一臺PC機上實PLC的仿真運行和上位監(jiān)控。

2.2 虛擬實驗的應用方法

只需要有一臺PC機，學生就可完一個具有上位監(jiān)控和下位PLC運行的完整PLC實驗系統(tǒng)設計。學生通過這種實驗系統(tǒng)，既掌握了PLC的程序設計和調(diào)試方法，又學會了上位組態(tài)軟件的監(jiān)控設計。其設計可以分兩種形式：

（１）由教師開發(fā)上位監(jiān)控系統(tǒng)，并進行相應的通道連接，學生無需考慮所有設定與上位監(jiān)控系統(tǒng)的連接。教師提供相應的連接地址給學生，學生按提供的地址編程，僅僅進行下位PLC的設計即可和上位監(jiān)控界面接通。上位監(jiān)控系統(tǒng)既可控制PLC，又可形象逼真地反應實際的控制過程和PLC程序運行效果，形象直觀。（２）學生首先設計PLC程序，并進行GXSimulator的仿真調(diào)試。根據(jù)程序的上位監(jiān)控要求，進行上位監(jiān)控組態(tài)窗口的設計，然后通過MX Component進行通信連接，完成一個完整PLC系統(tǒng)設計實驗。雖然是全虛擬的設計，但其設計方法與實際工業(yè)應用開發(fā)完全一致，所以具有很好的實用性和遷移性。

3、工業(yè)清洗機全虛擬控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

下面給出全虛擬PLC工業(yè)清洗機控制系統(tǒng)，采用易控組態(tài)軟件進行上位監(jiān)控設計，以該實例展現(xiàn)全虛擬PLC應用的方法和過程。

3.1 工業(yè)清洗機控制系統(tǒng)分析與PLC編程調(diào)試

工業(yè)清洗機工作流程如下：

將欲清洗的工件置于掛籃中，將掛籃放置在掛桿上，按下啟動按鈕，掛桿向下運動將工件置于清洗液中，加熱清洗液至沸騰，啟動超聲波生器工作20分鐘后，超聲波發(fā)生器停止工作，掛桿向上運動將工件置于蒸汽中5分鐘，停止加熱，啟動噴淋5分鐘，其后停止噴淋，取出工件于傳送帶上，按下清洗結(jié)束按鈕，啟動傳送帶工作。

按以上工作流程要求在GX Developer編寫梯形圖控制程序，將編寫好的部分梯形圖程序?qū)懭胩摂MPLC(既啟動LLT)，進入虛擬仿真調(diào)試，完成工業(yè)清洗機的PLC控制系統(tǒng)的編程調(diào)試。

3.2 基于易控組態(tài)軟件的上位監(jiān)控界面設計

（1）組建系統(tǒng)工程：首先運行易控組態(tài)軟件進入組態(tài)畫面，分析工業(yè)清洗機控制系統(tǒng)工程項目結(jié)構(gòu)，建立工程結(jié)構(gòu)框架。本控制系統(tǒng)包含掛籃、啟/停按鈕、清洗罐、加熱器、超聲波生器、冷凝器、抓手、傳送帶和幾個傳感器等。從組態(tài)軟件的“對象元件庫”選取并置于用戶窗口的適當位置。控制界面如圖2所示。（2）制作動畫顯示畫面：將用戶窗口中圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關性連接，并設置相應的動畫屬性。（3）運行策略：

圖2 上位機界面運行圖

本設計為了生動地表現(xiàn)當啟動按鈕按下，掛桿向下運動、噴淋閥門打開（通過變色顯示）以及傳感器動作等復雜的動畫顯示及關聯(lián)過程，采用了腳本程序在運行策略中的循環(huán)策略來仿真其工作的過程。（4）設備窗口組態(tài)：打開易控組態(tài)軟件后，分別在“IO通信”與“變量”

選項中添加控制量信息。然后進行相應的通信參數(shù)連接設置。

3.3 虛擬通道連接與上下位綜合調(diào)試

（１）基于易控組態(tài)軟件的上位監(jiān)控界面與GX Simulator的連接：打開MX Component應用軟件，設置其與GX Simulator虛擬通道的連接。（２）運行易控組態(tài)軟件，按動圖2所示控制面板上的啟動按鈕，則PLC開始運行，圖2中的掛籃會依程序的運行自動下降，所示畫面完全跟隨PLC的運行動畫顯示，其指示燈變亮、加熱器變色、噴淋閥打開時噴出沖洗液。這樣，具有上下位控制的工業(yè)清洗機全虛擬PLC控制系統(tǒng)實驗就形象、逼真的完成了。

通過以上實例的介紹，可以看到本文所提出的全虛擬PLC實驗方法的簡潔性，在安裝有以上所需軟件的PC機上便可完成實際現(xiàn)場PLC控制的全部模擬過程。

本文比較闡述了PLC各種實驗室應用方法的不同及不足、研究了全虛擬PLC教學實驗室的實現(xiàn)方法及其在工業(yè)清洗機中的應用。在與傳統(tǒng)PLC教學實驗方法對比后表明本文所構(gòu)建的全虛擬仿真系統(tǒng)徹底擺脫了實驗室，實現(xiàn)了只需要PC機和相關軟件即可實現(xiàn)高水平PLC實驗目的，搭建了一個隨處可實現(xiàn)的PLC良好自學平臺，其實驗內(nèi)容不受實驗室儀器設備、實驗材料的限制，即可以很方便的更新、增加實驗內(nèi)容，解決了PLC實驗的瓶頸問題，尤其是對成人教育中采用業(yè)余及函授形式的學生學習PLC具有特別重要的意義。該實驗方法將PLC的高水平實驗在時間和空間上進行了最大限度的延伸，提供了高性價比的學習模式。具體教學應用表明，該方法是行之有效的、可行的，對提高學生的PLC應用水平起到積極的作用。