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PLC实验教学系统的设计与实现
摘要：为了满足PLC实验教学的需要，本文提出保留核心硬件、把被控系统虚拟化的方案，设计出一套适合实验教学、安全易用、功能齐全的PLC实验装置。该实验装置具备传统实验系统的直观性、系统性，具备虚拟实验系统的低成本、开放性。实验系统主要包括：电源、主电路、PLC的输入/输出线路、被控对象模块和虚拟运行平台等。
关键词：PLC 实验教学 单片机 虚拟系统
中图分类号：TM571.61 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）02-0000-00
引言
现有的PLC实验系统的构建模式可以分为三类：传统实验系统；模拟实验系统；虚拟实验系统。
其中传统实验系统的的优点是能建立系统的整体概念，直观，易于理解，缺点是价格昂贵，实验内容有限，被控对象易损坏导致维护困难、成本高，学生操作时易发生危险等；虚拟实验系统的优点是成本低，易于维护，操作安全，直观，实验内容多样等，缺点是没有了PLC实物，使整个实验内容都是“虚假”了。
如何构建一个功能完善的实验系统，既能直观的动态显示被控系统的工作情况，又能突破空间限制、解决经费不足的问题，是本文研究的主要内容。系统设计目标
解决高校实验教学经费不足的问题；解决PCL课程实验中被控制对象建立难的问题；在实验室环境下帮助学生建立起实际的PLC控制系统概念；建立一个开放的、友好的PLC课程实践学习环境；延长实验设备的使用寿命，减轻教师进行设备维护的劳动强度。系统构成和特点
PLC实验教学系统保留PLC及其外围线路，建立真实的PLC控制系统的概念；同时通过虚拟仿真技术建立被控对象仿真模型，模拟实际被控系统的工作运行状况，满足多个实验内容的需求，使系统运行过程和结果直观、调试方便。
2.1 PLC实验教学系统的构成
PLC实验教学系统的构成如图1所示，PLC和I/O设备建立真实的PLC控制线路，然后用被控对象模块完成模拟被控系统的功能，最后将模块模拟的运行数据以动画形式呈现在虚拟运行平台。
2.2 PLC实验教学系统具有以下特点
（1）PLC电气硬件电路的设计要满足实物设备、被控对象和其他形式连接的需要。建立真实的PLC外围线路，既可以用其连接真实的被控设备并控制设备状态，也可以将PLC程序的执行结果传递给被控对象，通过虚拟运行系统显示状态。
（2）被控对象的设计要保证足够的开放性、通用性和真实性。1）开放性：被控对象可以通过更改模块系统程序，来实现跨系统、跨平台的连接和实验；2）通用性：被控对象虽然是单一不变的，但是可以在不增加投入、不改变硬件的前提下完成多个实验内容，减少维护成本，增加系统的利用率；3）真实性：系统通过被控对象来代替被控设备，虽然要通过被控系统软件平台来显示运行情况，但是整个实验系统有真实的PLC以及外围线路作为前提，所有的执行结果和反馈信号都从对象的运行得到，而不是读取的PLC的运行数据。系统设计
3.1 PLC线路
PLC实验教学系统中的PLC设备将采用西门子公司的S7-200 CPU 226CN型号的主模块，选择数字量输入/输出混合模块EM223作为数字量I/O扩展模块（可根据实际控制需要进行取舍），选择模拟量输入模块EM231和模拟量输出模块EM232作为模拟量I/O扩展模块。
以PLC的外围线路为例如图2所示。即PLC的 I/O电路主要是说明PLC的输入/输出端口与I/O设备的连接关系。输入设备连接到PLC的输入端口，给PLC的运行提供动作指令和参数反馈，可手动给定也可自动反馈；输出设备连接PLC的输出端口，接收PLC程序的运行结果并执行，控制用电设备的运行状态。
3.2 被控对象模块
被控对象模块通过单片机电路的运行来模拟被控系统。其功能是模拟被控设备的运行，按照PLC系统的执行结果进行动作并反馈被控设备的状态和参数给PLC；同时，嵌入式被控对象模块给虚拟被控系统运行平台提供运行数据。被控对象模块的硬件结构包括：电源电路、控制单元电路、输入采集电路和输出驱动电路以及通信电路。如图3所示为被控对象模块的控制单元电路板。
3.3 虚拟运行平台
虚拟运行平台是建立在被控对象模块基础上的一个图形界面虚拟显示系统，其工作过程是读取被控对象模块的数据，然后通过虚拟的系统界面动态表示系统运行的过程。
虚拟运行平台的被控系统界面虽然是虚拟的，即用图形界面表示实际的被控设备，但它不是完全通过仿真软件虚拟的，也不是通过读取PLC数据实现的上位机监控，而是建立在真实的硬件和真实的运行数据基础上的，是真实控制结果的图形画面显示。这样可以降低实验成本，使用方便，通用性好，同时又具备系统、直观和真实的效果。图4为智能交通灯的虚拟运行平台界面。结语
该PLC实验教学系统在保证良好经济性的前提下，能够系统的、直观的、真实的实现PLC控制系统的硬件连接、程序设计、调试和运行演示。系统从硬件结构上遵循了真实PLC控制系统的结构流程，便与学生建立与工业现场相匹配的系统概念，并能够直观的看到调试和控制的结果，从而提高教学效果，满足社会生产对PLC技术人才的需求。
