◎ 羅慧芳 方曉毅

可編程控制器簡稱PLC，將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通訊技術(shù)融為一體，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、使用方便、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制中。鑒于PLC在工業(yè)自動(dòng)化中的重要地位，各院校電專業(yè)普遍都開設(shè)了PLC及相關(guān)課程。PLC的特點(diǎn)決定了這門技術(shù)實(shí)踐性非常強(qiáng)，PLC程序只有與被控對(duì)象結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目的，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)非常重要。但PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴且體積龐大，受經(jīng)費(fèi)、空間、時(shí)間的限制，實(shí)體設(shè)備很難滿足學(xué)生加強(qiáng)實(shí)踐能力鍛煉的需要。因此，有必要建設(shè)PLC仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

一、仿真環(huán)境的搭建

目前，國內(nèi)應(yīng)用較多的小型化PLC主要是西門子、三菱系列，而三菱FX2N系列PLC由于其功能指令豐富，編程調(diào)試方便在國內(nèi)高校PLC教學(xué)中應(yīng)用較多。本文以三菱公司的FX2N系列PLC為例加以說明。

要建立PLC的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，首先要安裝PLC和觸摸屏的相關(guān)設(shè)計(jì)仿真軟件。其名稱功能如表1所示。軟件選擇不需完全一致，但要注意其版本和語言的一致性。軟件安裝時(shí)要先安裝PLC編程軟件和觸摸屏設(shè)計(jì)軟件，再安裝PLC和觸摸屏的仿真軟件。

表1 仿真環(huán)境相關(guān)軟件

軟件環(huán)境安裝完畢后，即可開始利用GX Developer設(shè)計(jì)PLC梯形圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖程序，利用GT designer設(shè)計(jì)好觸摸屏界面，啟動(dòng)PLC邏輯測試和觸摸屏仿真進(jìn)行PLC和觸摸屏的聯(lián)合仿真調(diào)試。

二、仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

一小車自動(dòng)往返系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制要求為：小車在A處裝料后，按啟動(dòng)按鈕SB1，小車開始前進(jìn)到B處并壓合SQ1，停5秒，工作人員卸料；5秒后小車自動(dòng)后退，運(yùn)行到A處并壓合SQ2，停7秒，工作人員裝料；7秒后小車自動(dòng)前進(jìn)。如此反復(fù)循環(huán)工作，當(dāng)小車第6次壓合SQ2時(shí)停止工作。若再次按下SB1則重復(fù)上述工作過程。根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)步驟如下。

1.建立軟元件分配表

按照題意建立軟元件分配表如表2所示。

表2 軟元件分配表

2.用GT designer設(shè)計(jì)觸摸屏界面

打開GT designer后注意選擇PLC類型為MELSEC-FX，為后面和FX2NPLC的連接做好準(zhǔn)備。由于GT Simulator只能仿真GT11系列觸摸屏，所以觸摸屏類型必須選擇為GT11系列。利用GT designer設(shè)計(jì)的被控對(duì)象界面如圖1所示。

圖1 觸摸屏仿真設(shè)計(jì)界面

圖中按鈕和限位開關(guān)使用了位開關(guān)控件用于操作輸入軟元件，以實(shí)現(xiàn)輸入單元的控制功能?？丶锌梢赃x擇添加其自帶的圖形庫以實(shí)現(xiàn)更加直觀的指示作用。將位開關(guān)的動(dòng)作設(shè)置為點(diǎn)動(dòng)模擬按鈕的動(dòng)作過程，將位開關(guān)設(shè)置為交替模擬限位開關(guān)的動(dòng)作過程，交替動(dòng)作還需要設(shè)置其指示燈為位功能，并且填入相應(yīng)的的軟元件名稱。按鈕和開關(guān)的通斷可以通過控件顏色直觀顯示。

圖中小車的前進(jìn)后退運(yùn)行指示使用了位指示燈控件，填入相應(yīng)的軟元件名稱，并通過調(diào)用自帶圖形庫symbol中的左右箭頭作為方向指示。同樣指示燈通過顏色直觀顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。循環(huán)次數(shù)和裝卸料時(shí)間顯示利用了數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)輸入控件設(shè)計(jì)，用數(shù)據(jù)輸入控件可提高調(diào)試效率，如需要在調(diào)試時(shí)修改當(dāng)前的循環(huán)次數(shù)，可點(diǎn)擊數(shù)據(jù)輸入控件在彈出的數(shù)值修改框中直接修改軟元件C0的當(dāng)前值。利用文本控件加入必要的文字說明，利用直線、矩形框控件整理美化仿真界面。

3.利用GX Developer設(shè)計(jì)PLC程序

PLC程序的設(shè)計(jì)主要有梯形圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（SFC）兩種方式。對(duì)于初學(xué)者，面對(duì)較復(fù)雜的程序使用梯形圖進(jìn)行設(shè)計(jì)不僅很難下手，而且花了較多時(shí)間與精力，也難編出效率較高、質(zhì)量也較高的程序。而利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，只需要設(shè)計(jì)出各種狀態(tài)以及各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件，初學(xué)者就可以很快編出十分高效可靠的程序，而且調(diào)試直觀方便。利用GX Developer設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖操作非常方便高效，且設(shè)計(jì)完成后如果需要可通過設(shè)置直接轉(zhuǎn)化為梯形圖和指令表。圖2為本例的狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程圖，圖3為利用GX Developer設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程圖

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)圖

4.仿真調(diào)試過程

啟動(dòng)GX Developer的邏輯測試功能，進(jìn)入PLC的模擬運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)可以通過軟元件登錄監(jiān)視來監(jiān)測軟元件運(yùn)行狀態(tài)或者修改輸入軟元件狀態(tài)以達(dá)到控制目的，但此方法操作起來很不方便且不直觀。打開GT Simulator，選擇前面設(shè)計(jì)好的觸摸屏仿真界面，進(jìn)入PLC觸摸屏聯(lián)合模擬調(diào)試運(yùn)行。在觸摸屏界面中，可以通過設(shè)計(jì)的按鈕和開關(guān)來進(jìn)行相應(yīng)的控制輸入，利用數(shù)值顯示和修改控件來顯示或修改PLC內(nèi)部軟元件，利用指示燈控件顯示相應(yīng)的輸出軟元件狀態(tài)。圖4左邊仿真界面顯示小車已循環(huán)運(yùn)行三次，當(dāng)前處于左限位裝貨延時(shí)狀態(tài)，已延時(shí)2.1秒，與圖4右邊狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖所處S23狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。

圖4 調(diào)試過程的仿真界面

在本例中具體調(diào)試步驟如下：（1）接通左限位開關(guān)（亮），按下啟動(dòng)按鈕，小車前進(jìn)指示燈點(diǎn)亮表示小車此時(shí)正在前進(jìn)。（2）斷開左限位開關(guān)（滅），接通右限位開關(guān)（亮），小車前進(jìn)指示燈滅表示小車停止前進(jìn)，同時(shí)卸料定時(shí)開始自動(dòng)計(jì)時(shí)并在觸摸屏界面上直觀的顯示當(dāng)前計(jì)時(shí)時(shí)間。（3）計(jì)時(shí)時(shí)間到，小車后退指示燈亮表示小車開始后退。（4）斷開右限位開關(guān)（滅），接通左限位開關(guān)（亮），小車后退指示燈滅表示小車停止后退，循環(huán)計(jì)數(shù)器值加一并顯示在觸摸屏界面上，同時(shí)裝料定時(shí)開始自動(dòng)計(jì)時(shí)并在觸摸屏界面上直觀顯示當(dāng)前計(jì)時(shí)時(shí)間。（5）卸料定時(shí)時(shí)間結(jié)束，小車前進(jìn)指示燈點(diǎn)亮表示小車又開始前進(jìn)，開始一輪新的循環(huán)，此時(shí)也可以通過修改循環(huán)計(jì)數(shù)器的值，來達(dá)到簡化調(diào)試步驟，加快調(diào)試過程。（6）調(diào)試過程中，在GX Developer上可通過設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖上監(jiān)測到當(dāng)前所處的狀態(tài)以及外部控制條件的變化引起各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移變化，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)的輸出和狀態(tài)轉(zhuǎn)移是否正確可快速定位運(yùn)行不正常的程序段。

5.連接實(shí)際PLC和實(shí)際被控對(duì)象的調(diào)試過程

上述過程僅需一臺(tái)電腦即可完成整個(gè)仿真調(diào)試過程，這樣前面這部分設(shè)計(jì)過程學(xué)生可以在課余時(shí)間自行完成。但此方法并不僅僅只能用于軟件仿真，將PLC程序下載到PLC之后，啟動(dòng)GTdesigner改變仿真選項(xiàng)中的連接方式為CPU，即可實(shí)現(xiàn)與PLC進(jìn)行通訊，相當(dāng)于給被控對(duì)象添加了一臺(tái)昂貴的觸摸屏。此時(shí)可以利用觸摸屏仿真界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，內(nèi)部定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的值，來輔助外部實(shí)際被控對(duì)象，加快PLC程序調(diào)試過程。此方法增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能，提高了調(diào)試效率。利用外設(shè)之后，觸摸屏界面不再可以操作輸入軟元件如按鈕和開關(guān)等，只能顯示輸入輸出軟元件狀態(tài)，但仍可以修改PLC內(nèi)部軟元件，如計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等內(nèi)部軟元件的當(dāng)前值。

利用PLC和觸摸屏仿真構(gòu)建PLC仿真調(diào)試環(huán)境，大大提高了PLC程序設(shè)計(jì)和調(diào)試的效率，取得了良好的效果。學(xué)生課后在電腦上自行設(shè)計(jì)調(diào)試好PLC實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)界面，實(shí)驗(yàn)課上再聯(lián)機(jī)調(diào)試，不僅加深了理解，提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，而且大大縮短了單個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，提高了教與學(xué)的效率。同時(shí)該方法也可緩解學(xué)校經(jīng)費(fèi)投入、空間限制導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足的問題。

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