王旭 朱建梅

（甘肅省理工中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校 甘肅省武威市 733000）

1 引言

PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器是專(zhuān)門(mén)面向工業(yè)環(huán)境的最常見(jiàn)的自動(dòng)控制設(shè)備之一，是電氣自動(dòng)控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程[1]。從實(shí)際教學(xué)反饋的問(wèn)題來(lái)看，學(xué)生對(duì)PLC 的學(xué)習(xí)困難主要集中在對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下編程邏輯的實(shí)現(xiàn)上，這就要求在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)化對(duì)PLC 編程的訓(xùn)練，而大多數(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的模擬較為枯燥、缺乏趣味性，教師的講解和演示具有很大的局限性，教學(xué)過(guò)程時(shí)效性差，必然影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐教學(xué)效果。GT Works3 是三菱公司推出的一款集成可視化人機(jī)界面創(chuàng)建軟件，支持三菱GOT1000、GOT2000等系列觸摸屏，支持電腦代替觸摸屏運(yùn)行可視化監(jiān)控系統(tǒng)、具有豐富的圖形建模元素，可以方便地進(jìn)行PLC 應(yīng)用場(chǎng)景的搭建和監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)，通過(guò)GX Sumilator2 仿真模塊聯(lián)合GX Works2進(jìn)行全軟件虛擬仿真，極大提高了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的延展性。將工業(yè)背景和PLC 實(shí)踐教學(xué)緊密的聯(lián)系起來(lái)，為項(xiàng)目式模塊化教學(xué)提供了一條有效的教學(xué)模式。實(shí)踐教學(xué)證明如果在PLC 實(shí)踐教學(xué)中能夠適時(shí)引入全軟件虛擬仿真，就可以極大增強(qiáng)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用案例的靈活設(shè)置、突破實(shí)訓(xùn)硬件環(huán)境限制，減少因硬件故障導(dǎo)致調(diào)試失敗造成學(xué)生挫敗感，引導(dǎo)學(xué)生將重點(diǎn)聚焦在PLC 軟件編程的學(xué)習(xí)上，激發(fā)學(xué)生自主探究的能力，提升PLC 控制編程的實(shí)用性和趣味性。

2 GX Works2和GT Works3軟件介紹

GX Works2 是三菱電機(jī)適用于Q、L、FX 等系列可編程控制器的設(shè)置、編程、調(diào)試和維護(hù)的工程工具，兼容GX Developer 軟件，具有簡(jiǎn)單工程和結(jié)構(gòu)化工程兩種工程類(lèi)型，支持語(yǔ)句表、梯形圖、SFC、ST、FBD 等編程語(yǔ)言，具有系統(tǒng)標(biāo)簽功能，可實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)與HMI 的數(shù)據(jù)共享，能在不使用實(shí)際設(shè)備的情況下使用GX Simulator2 模擬器模擬確認(rèn)可編程邏輯控制器的動(dòng)作，有效地模擬存儲(chǔ)器對(duì)輸入輸出模塊與智能功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出的功能和調(diào)試已創(chuàng)建的順序程序的功能。GT Works3 的組件GT Designer3是GOT2000 系列和GOT1000 系列用的畫(huà)面創(chuàng)建軟件，可以進(jìn)行工程創(chuàng)建、模擬、與GOT 間的數(shù)據(jù)傳送，具有可視化效果好、類(lèi)型完備的圖形庫(kù)，同時(shí)也支持第三方CAD 軟件DXF、IGES 數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入，可靈活創(chuàng)建監(jiān)控界面和環(huán)境模擬畫(huà)面，能通過(guò)使用GT Simulator3 模擬器在計(jì)算機(jī)上模擬GOT 系列設(shè)備，實(shí)現(xiàn)和可編程控制器CPU 設(shè)備或連接機(jī)器模擬器的連接監(jiān)控。通過(guò)GT Simulator3模擬器和GX Simulator2 等連接機(jī)器模擬器聯(lián)合，就可以在沒(méi)有實(shí)際觸摸屏設(shè)備和可編程控制器的情況下，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)全軟件虛擬仿真。

表1：交通信號(hào)燈系統(tǒng)控制要求

圖1：十字路口交通燈控制時(shí)序圖

圖2：仿真系統(tǒng)控制原理圖

圖3：十字交通燈控制梯形圖

3 GX Works2和GT work3聯(lián)合虛擬仿真在PLC教學(xué)中的應(yīng)用

圖4：系統(tǒng)顯示畫(huà)面

圖5：數(shù)碼管顯示部件制作及設(shè)置

PLC 作為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱之一，在機(jī)械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、紡織、食品、交通等行業(yè)應(yīng)用極其廣泛，而目前學(xué)校使用的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備只能模擬某一典型行業(yè)的某些典型控制場(chǎng)景，教學(xué)模型抽象、實(shí)踐體驗(yàn)性差，無(wú)法為學(xué)生提供個(gè)性化的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，教師在教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常需要引導(dǎo)學(xué)生能對(duì)教學(xué)模型和實(shí)際場(chǎng)景產(chǎn)生良好的情景遷移，這種基于想象的抽象教學(xué)過(guò)程很容易導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，勢(shì)必導(dǎo)致學(xué)生對(duì)PLC 的學(xué)習(xí)停留在淺層應(yīng)用，PLC 編程水平無(wú)法得到有效提高。在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)借助CAD 軟件的場(chǎng)景建模，使用GX Works2 和GT work3 聯(lián)合進(jìn)行虛擬仿真，可以方便的模擬出面向不同行業(yè)不同自動(dòng)控制過(guò)程的個(gè)性化實(shí)踐場(chǎng)景，增強(qiáng)實(shí)踐過(guò)程的畫(huà)面感和娛樂(lè)性，突出對(duì)學(xué)生PLC軟件編程能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和實(shí)效性。本文將以生活中十字路口交通信號(hào)燈控制實(shí)際場(chǎng)景為例具體說(shuō)明GX Works2和GT work3 聯(lián)合虛擬仿真在PLC 教學(xué)中的應(yīng)用。

3.1 十字路口交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本案例采用項(xiàng)目式模塊教學(xué)法，通過(guò)學(xué)生觀察周邊熟悉環(huán)境的十字路口交通燈系統(tǒng)，記錄交通燈布局和變化特點(diǎn)，以生活中真實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈信號(hào)燈PLC 控制仿真系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)欲望、增強(qiáng)實(shí)踐體驗(yàn)。

圖6：數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)腳本

圖7：設(shè)置連接方式

本項(xiàng)目中交通信號(hào)燈采用圓形信號(hào)燈，東西南北每個(gè)方向各一組三聯(lián)（紅燈、黃燈、綠燈）指示信號(hào)燈、一個(gè)倒計(jì)時(shí)器，南北方向的信號(hào)燈同步工作，東西方向的信號(hào)燈同步工作，其控制要求如表1所示。

當(dāng)啟動(dòng)PLC 時(shí)，系統(tǒng)得電。按下啟動(dòng)按鈕，南北紅燈亮，同時(shí)東西綠燈亮，南北紅色倒計(jì)時(shí)器顯示計(jì)時(shí)27s，東西綠色倒計(jì)時(shí)器顯示計(jì)時(shí)27s，南北紅燈亮，東西黃燈亮，南北紅色倒計(jì)時(shí)器顯示計(jì)時(shí)3s，東西黃色倒計(jì)時(shí)器顯示計(jì)時(shí)3s，南北綠燈亮，同時(shí)東西紅燈亮，南北綠色倒計(jì)時(shí)器顯示27s，東西紅色倒計(jì)時(shí)器顯示27s，南北黃燈亮，東西紅燈亮，南北黃色倒計(jì)時(shí)器顯示3s，東西紅色倒計(jì)時(shí)器顯示3s，如此完成一個(gè)周期后循環(huán)上述動(dòng)作。其動(dòng)作時(shí)序如圖1所示。

為了最大限度的達(dá)到仿真實(shí)驗(yàn)與硬件設(shè)備實(shí)訓(xùn)之間平滑銜接，在設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先根據(jù)控制要求分析設(shè)計(jì)出實(shí)際應(yīng)用控制系統(tǒng)，在盡可能保持PLC 控制器I/O 端口和控制程序相一致的原則下設(shè)計(jì)完成仿真系統(tǒng)。此十字路口交通燈控制系統(tǒng)具有2 個(gè)啟?？刂戚斎朦c(diǎn)、6 個(gè)交通指示燈輸出點(diǎn)、16 個(gè)數(shù)碼倒計(jì)時(shí)顯示管控制輸出點(diǎn)，每4 位輸出控制一只七段數(shù)碼管顯示，每次顯示4 只七段數(shù)碼管?？紤]到三菱PLC 仿真器并不是所有的指令功能均能實(shí)現(xiàn)仿真，比如數(shù)碼管七段譯碼指令SEGD 就不能仿真，只能連接PLC 設(shè)備才能使用，為了保持PLC 輸出控制接口不變，需在觸屏控制端開(kāi)發(fā)模擬數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)腳本。本文采用三菱FX3U-48MR 型號(hào)PLC 設(shè)計(jì)系統(tǒng)[2]，仿真系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。

3.2 GX Work3 PLC控制程序設(shè)計(jì)

分析交通燈的控制時(shí)序，不難看出其狀態(tài)是按特定的時(shí)間順序定時(shí)切換的，并且南北方向、東西方向交通燈及倒計(jì)時(shí)數(shù)碼顯示器的工作狀態(tài)是對(duì)稱(chēng)的，在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候可以采用單一順序STL功能圖實(shí)現(xiàn)控制邏輯，具體步驟如下：?jiǎn)?dòng)GX Works2，新建項(xiàng)目工程，選擇FXCPU 系列和FX3U/FX3UC 機(jī)型，工程類(lèi)型選擇為簡(jiǎn)單工程，程序語(yǔ)言為SFC，設(shè)置第0 塊類(lèi)型為梯形圖，編寫(xiě)設(shè)備初始化程序，添加SFC 類(lèi)型程序塊，編寫(xiě)順序功能圖，為每一步編寫(xiě)梯形圖控制程序，其順序功能圖和控制梯形圖如圖3所示。

3.3 GT Designer3監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)

監(jiān)控畫(huà)面的基本畫(huà)面如圖4所示，東西南北四個(gè)方向各放置一組紅綠黃三聯(lián)指示燈和紅藍(lán)黃三色倒計(jì)時(shí)數(shù)碼顯示器，一對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕和停止按鈕，具體步驟如下：?jiǎn)?dòng)GT Works3，新建項(xiàng)目，選擇GT2000 系列GT27**-X（1024*768）機(jī)種，連接機(jī)器選擇MELSEC-FX 機(jī)種，通信驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镸ELSEC-FX，其余默認(rèn)即可，制作交通指示燈和數(shù)碼顯示管組成部件如圖5所示，完成基本畫(huà)面的設(shè)計(jì)制作[3，4]。

3.4 GX Works2和GT work3聯(lián)合進(jìn)行虛擬仿真

在完成PLC 程序編程和監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)之后，需要根據(jù)仿真動(dòng)畫(huà)效果編寫(xiě)腳本程序如圖6所示，就可以聯(lián)合GX Works2 和GT Works3 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，首先通過(guò)GX Works2 啟動(dòng)GX Simulator2模擬仿真器，然后通過(guò)GT Works3 打開(kāi)GT Simulator3 模擬器，在【模擬】|【選項(xiàng)】對(duì)話框選擇通訊設(shè)置選項(xiàng)卡，設(shè)置連接方式為GX Simulator2 如圖7所示，啟動(dòng)模擬器，單擊監(jiān)控畫(huà)面啟動(dòng)按鈕，可以觀察到成功實(shí)現(xiàn)了仿真效果。

4 總結(jié)

本文利用GX Works2 和GT Works3 聯(lián)合仿真，直觀生動(dòng)地實(shí)現(xiàn)了PLC 對(duì)十字交通燈的仿真控制，利用這種方法教師在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，可以針對(duì)不同的應(yīng)用背景，結(jié)合學(xué)生的興趣點(diǎn)靈活設(shè)定實(shí)踐項(xiàng)目，多維度設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程；學(xué)生可通過(guò)完整的設(shè)計(jì)流程，保證項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的規(guī)范性、完整性和實(shí)用性，并充分挖掘GT Works3的腳本控制能力，開(kāi)發(fā)出PLC 無(wú)法仿真的指令的模擬效果，激發(fā)學(xué)生自主探究的能力和創(chuàng)新能力。