基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实验系统

一、实验系统简介

PLC可编程技术在工业控制中大量应用，常规的PLC实验控制台在实际的教学过程中存在不容易表达复杂逻辑关系、学生在实验过程中不易检查程序正确性的问题。而采用实际的工程设备来进行实验开发，又存在设备占地面积大，实验损耗大等问题。本实验系统利用虚拟仿真技术和虚拟PLC技术，用通信方式将逼真的工程设备三维模型和虚拟PLC有机地结合起来，实现PLC编程的可视化。

工程机械、制造装备等一些工业现场大量使用了PLC控制器，本虚拟仿真实验系统从工程机械入手，通过一系列工程的设备的逼真三维模型，让学生在掌握PLC可编程技术的同时，熟练掌握工程机械的操作、控制过程，同时，在实验过程中学生可以了解机械结构与液压原理，实现机电液一体化知识的有机结合，改变现有实验台侧重于知识点的表达的实验模式。

二、实验系统功能与效果

学生通过基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实验系统可以较好地掌握工程机械、制造装备的操作，了解机械结构，液压原理等相关知识，可以大大提高学生学习的积极性，扩大学生的视野。

基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实验系统由挖掘机控制系统、起重机控制系统、推土机控制系统和搅拌站控制系统四个模块组成。基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实验系统的主界面如图1所示。

下面内容以挖掘机控制系统为例来讲叙。

基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实验系统主要由三维交互模块和虚拟PLC模块两部分组成。

图1 基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实验系统界面

1．三维交互模块

三维交互模块是实验的主体，在三维交互模块中，机械结构、液压油路、操作面板都用逼真的三维模型展示。学生在该模块中可以通过交互按钮的操作，了解机械结构和液压回路。

图2 三维交互模块

2．虚拟PLC模块

虚拟PLC模块通过通信方式与三维交互模块连接起来，用于将PLC编程软件编辑的程序进行实时的仿真。

图3 虚拟PLC模块

下面以基于挖掘机的PLC编程虚拟仿真实验为例，讲叙基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实验系统的功能。

1．机械模型的三维展示

模型可以进行三维缩放、旋转、平移，方便学生观察机械结构各细节的变化。 模型的三维缩放、旋转和平移操作完全通过鼠标操作实现，操作过程简单直观，易于理解。操作方法：

三维缩放：通过鼠标滚轮上下滚动，可以实现三维模型的缩放功能； 三维旋转：按住鼠标左键，上下左右拖动即可实现模型的三维旋转； 三维平移：同时按下鼠标右键和中键，同时拖动即可实现三维平移。 2．液压原理演示

在系统中，液压系统进行相应动作的时候，其液压油回路可以在模型中展示图来，如图4所示。在图中，红色箭头表示高压油的流动方向，蓝色箭头表示低压油的流动方向。其中油缸的细节动作也可以展示。

图4 液压原理展示

3．挖掘机操作培训

在正确的控制程序下面，操作者必须按照正确的操作，系统才会有相应的动作，通过这样一个操作练习，学生就可以掌握挖掘机的正确操作。图5展示了在两种状体下的操作效果，其中左图为错误操作，按下大臂升按钮，油缸没有执行动作，右图为正确操作，油缸有正确的动作。

图5 挖掘机操作对比

挖掘机操作的基本步骤与要求：

合上电源开关，给系统供电； 按下油泵启动按钮，给系统供油； 选择手动或者自动操作模式；

在手动操作模式下，按下相应的功能键，实现相应的功能；

在自动操作模式下，按下自动启动按钮，系统按照程序设计流程进行一系列的挖掘动作，当按下自动停止按钮后，自动过程立即结束；

在自动模式下，手动功能操作按钮不可使用。 4．PLC编程与监控

在虚拟PLC的作用下，通过PLC编程软件写的程序，可以下载到虚拟的PLC中，通过三维交互模块可以检测程序的正确性以及实际控制效果。

图6 虚拟PLC实验效果图

（1）打开S7300 PLC编程软件Simatic Manager，创建新的项目；

图7 新建PLC项目

（2）调入系统提供的符号表，按照符号表的要求进行编程；

图8 系统提供的符号表

（3）PLC程序编写；

图9程序编写

（4）程序下载与监控；打开虚拟PLC，将程序下载到虚拟PLC，通过监控操作进行程序监控；

图10 程序运行状态监控

（5）进入三维交互模块，检查程序运行效果。

三、实验步骤与要求

通过基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实验，是学生掌握PLC编程技巧、机械结构、液压原理等相关知识。具体步骤与要求如下：

1．通过三维模型和实验指导书，了解控制要求； 2．编写和调试PLC程序； 3．学习模型的液压原理； 4．掌握模型的操作；

5．掌握基本的PLC通信技术；

6．具备PLC故障诊断、电路设计能力；

7．认知人机交互界面的设计与功能。

四、实验设备与配置

1．硬件配置要求

CPU：Pentium（R）4 2.4GHz以上； 内存：1G以上； 硬盘：80G以上；

显卡：256bit 512M显存。 2．软件运行环境

操作系统：Windows XP 或 Windows7。

五、实验项目设置与学时分配

本实验系统总学时32个，实验项目如下表。 序号 1 2 3 4 实验项目 挖掘机控制系统 起重机控制系统 推土机控制系统 搅拌站控制系统 学时 4 4 4 20 实验对象 机械工程 机械工程 机械工程 机械工程 备注 交互操作 交互操作 交互操作 交互操作 （该虚拟实验教学系统为单机版，网络版正在开发中）