虚拟仿真技术在PLC实验教学中的应用研究
Abstract： This paper introduces the application of virtual simulation technology control system in the PCL experimental teaching. The four storey elevator control system as a control object by use configuration software， in the process of developing virtual simulation system is described. The simulation results show that the design of the control system is feasible， the virtual elevator can run under the control of the PLC. The cost of equipment is greatly reduced， thus improving the efficiency and effect of the experiments by use virtual simulation technology.
Key words： virtual simulation；configuration software；PLC；four storey elevator control system
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）21-0148-03
0 引言
实验教学是理论教学的一种深化和延续拓展，是让学生对课堂上所学知识进行消化和吸收的过程[1]。可编程序控制器（PLC）控制技术已经在工农业生产、交通运输等行业和部门中得到广泛应用，其课程是一门实践性很强的实用课程。在实验教学过程中，验证PLC程序是否正确通常只是通过输入信号和输出信号的变化，以及借助指示灯和开关、按钮的动作等来观察实验结果。这种简单的实验教学方式和复杂的实际工程应用相差太多，因此有必要采取一种新的教学模式。随着虚拟仿真技术的广泛应用，虚拟仿真教学已经成为了高校一种重要的教学模式，尤其是在专业课程的教学过程中。
目前国内众多组态软件中，组态王以标准的工业计算机软硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点[2]。组态软件已经广泛地应用于PLC的实验教学过程中，利用组态软件的功能，通过组态软件与PLC的通信连接，可以建立一个虚拟的实践环境，从而对组态环境下构建的被控对象进行虚拟控制[3]。因此，虚拟仿真技术在PLC课程教学中的地位显得尤为重要。
本文利用虚拟仿真技术以PLC实验中的四层电梯为控制对象，建立了四层电梯的虚拟仿真系统，通过组态王软件设计了组态图形界面，建立了数据库和动画连接，并对通讯参数进行了设置，最后进行了仿真调试。
1 虚拟仿真系统的组成
PLC和组态软件联合组成的仿真系统结构如图1所示。作为上位机的计算机主机通过RS-232串行通信接口与作为下位机的PLC进行通信，并监控PLC的所有存储器、控制器及I/O接口的状态，以变量值的形式传输到计算机上，供上位机使用、处理[4]。通过编程软件将编写好的程序下载到PLC中。通过安装在计算机中的组态软件，根据控制对象建立一个工程项目，并把PLC置于运行状态，使用鼠标和键盘对组态图形界面上的控制对象进行操作，从而可以实现虚拟仿真控制。
2 四层电梯虚拟仿真系统
2.1 控制系统设计
在控制系统中，PLC需要处理大量的逻辑信号，如电梯内操作按钮、电梯外按钮、电梯井等信号，并根据电梯的运行条件和安全保护要求以满足电梯实现起动加速、制动减速、上下方向运行等功能。电梯的控制主要是召梯、选层、减速、平层停站、开门、关门等。
根据控制要求，输入点有：各个楼层的大厅门呼叫按钮6个点，电梯内轿箱的内部选择按钮4个点，四层楼共安装的感应器8个点，安装电梯门的位置有感应器2个点，手动关/开门信号各l个点，开/关门到位信号各1个点，共计输入点24个点。输出点有：门电机正转、反转、高速3个点，升降电机正转、反转、高速3个点，内选指示4个点，每层楼的表示信号4个点，向上/向下方向运行表示2个点，共计输出点16点。综上所述，输入应选择24的，输出应选择16的。因此PLC的型号选用西门子S7-200系列，CPU226。
2.2 控制程序编写
电梯系统的主要控制要求为：行驶方向由内选信号和外呼梯信号决定，按照顺向优先的原则运行电梯；在电梯收到轿厢内的信号时，电梯的运行方向应最先确定；当电梯没有收到轿厢内的信号和同向轿厢外信号时，电梯会运行到最远反向呼梯信号位置后停车。当电梯运行到某一层停止时可自动开门；还可以按轿厢外呼按钮开门，并且用户也可按下开门按钮开门；在有电梯轿厢内选择信号和电梯外呼梯信号时电梯会延时关门的时间，在电梯的门关闭后电梯能够自动启动；行车时厅门和轿门都不能开门，开门后不能行车。根据电梯系统的主要控制要求，具体的程序流程图2所示。
2.3 界面设计
组态王软件提供了丰富的图形制作工具，而且还有丰富的图库可以选择，在本次设计中，针对四层电梯系统制作了监控画面，如图3所示。可见界面的设计使整个系统运行简单化，操作人性化，内容丰富化。 2.4 构造数据库
数据库是组态王软件的核心部分，在工程管理器中，选择“数据库＼数据词典”，双击“新建图标”，弹出“变量属性”对话框，创建四层电梯的各个变量数据，这些变量与PLC内部变量一一对应，PLC的输入输出完全由组态王内部变量代替。这样，PLC的实际输入输出状态都反映在组态监控界面上，借助PLC的CPU通信功能，系统的运行就可以实现真正的仿真。具体变量设置如图4所示。
2.5 动画连接
动画连接是建立所定义变量与所设计画面图素之间的关系：当变量值发生改变时，图形对象则以动画效果的形式表现出来；或者当图形画面动作时，对应变量的值将发生改变；实现物理对象PLC和图形界面之间的双向控制和模拟运行通过在组态软件中定义不同的变量，使得定义的变量与动画画面相连接，从而实现对动画画面进行相应的控制。除此之外，还需在组态软件中运用命令语言中的“应用程序命令语言”和“画面命令语言”编制相应的命令语言程序，控制各个变量的变化，使虚拟电梯能正确、实时地反映与实际电梯类似的运行效果。组态监控程序流程图如图5所示。
2.6 通讯设置
在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备”大纲项下PLC与上位计算机所连串口（COM1口），进行参数设置。双击所设COM1口对应的“新建”图标，会弹出“设备配置向导”对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。利用设备配置向导就可以完成串行通讯方式的I/O设备安装，安装过程简单、方便。在配置过程中，用户需选择I/O设备的生产厂家、设备型号、连接方式，为设备指定一个逻辑设备名，设定设备地址。通讯参数如下：波特率9600b/s、数据位为8、停止位为1、通讯方式为RS232。
3 仿真运行
将PLC设定到运行状态，并启动组态王运行系统，对四层电梯控制系统进行调试和仿真运行。用鼠标点击组态监控界面上的相应按钮或者PLC外部的实际按钮，便可以通过观察监控画面上仿真运行的结果来验证整个电梯控制系统是否运行正常，是否实现了预期的效果。如果仿真运行过程中出现问题，可以通过对仿真系统不断地进行调试，直到满足要求。仿真运行的结果表明系统运行正常，动画效果良好。
4 结束语
在PLC的实验教学中，PLC的控制一般都要求有真实的被控对象，而实物对象一般都有体积大、份量重、价格昂贵、维护困难等问题，通过利用组态王软件对四层电梯实验项目进行了设计和调试，从而免去了需要控制真实的电梯系统的情况，从而大大地节约了实验成本。学生可以根据现场程序的运行情况以及仿真的实验效果不断地修改程序，从而提高了实验效率。组态软件将整个电梯系统的运行情况都以直观的形式展现出来，使得教学内容更加直观和生动，增强了实验教学的效果。
虚拟仿真技术在PLC实验教学中的应用，既能够提高学生自主学习的动力，激发他们的积极性和创新性，又对于提升教学质量以及获得良好的实验教学成果有着重要的作用。同时对于专业课程的教学改革和创新，有着积极的借鉴作用。
