PLC专业课程虚拟实验实训条件建设研究

    金恬

    摘要：文章主要依据本校PLC实验室的一些实际情况，提出了采用触摸屏仿真实验来解决实验室设备老旧，更新乏力的情况，以此来提高PLC的教学质量。

    关键词：触摸屏；PLC；组态软件

    1 PLC实验室的现状

    对于PLC这门课程而言，目前还有很多职业学校的任课教师上课手段都局限于板书和PPT。这样的教学方式效率极其低下，对于学生和教师而言，教学过程也极其痛苦。之所以会造成这种状况，主要有3个方面的原因。

    1.1 学校经费不足

    有的学校位于经济欠发达地区，没有足够的办学经费。还有一些学校经费比较充裕，但是职业类学校要建的实验室很多，PLC实验室没有获得足够的资金投入。

    1.2 实验室维护力度不足

    实验室的设备需要定期维护，每个学校都有实验室管理员来负责这件事。但实验室管理员并没有能力去修好这些设备，最终需要由厂家来负责售后。这样就带来一个问题，传统的PLC实验模块很容易坏，厂家出于维护成本考虑不愿意频繁上门服务，实验室损坏得越来越厉害，最终导致无法正常教学。

    1.3 实验室里能做的实验不能满足教学需要

    （1）实验数量少，不能满足教学需求。目前国内PLC实验室主要以传统的模块为主，辅以PLC仿真软件。不管PLC实验模块还是PLC仿真软件都只能实现有限的几个实验，比较多的像天塔之光、交通灯控制、多级传送带控制之类。而职业类学校招生类别比较多，比方说五年制一贯制、三年制大专、本区招的中职生、跨地域联合办学的西藏班，青海班等等，使用的教材各不相同。实验室里能做的实验只有几个，和教材上要做的实验很难对上号。教师往往不是根据教学来安排实验，而是根据实验来安排教学，最终可以做的实验寥寥无几。

    （2）实验效果差，不能满足教学需要。传统的PLC实验模块不管模块名字叫什么，都是一块板上印个图案，嵌入几盏灯，用PLC来控制这几盏灯的通断，显示效果很差。PLC仿真软件用动画来显示PLC输出结果，显示效果要比用模块好得多。但学生完全在电脑上操作，彻底脱离了PLC模块及接线过程。学生在仿真软件内部编程，编程界面和实际编程软件有很大差异，编完也没有相应的调试过程，这样培养出来的学生缺乏实际操作能力，实验效果也很差。

    （3）实验内容固化，没有办法根据教学实际进行调整，不能满足教学需要。不管是传统的模块还是PLC仿真软件，任课教师都没有办法根据教学需求，对其进行二次开发。

    2 理想的PLC实验室

    作为一名PLC课程教师，需要的PLC实验室应该具备以下几个条件：（1）故障率要低，不能和PLC实验模块一样容易损坏；（2）实验内容要形象生动，要提升演示效果来提高对学生的吸引力；（3）实验要贴近实际PLC操作环境，要让学生上完课后能独立完成编程调试操作；（4）实验数量要丰富，越丰富越好，要能适应各种不同教材的实验需要；（5）实验内容要灵活可调整，最好能让教师根据教学情况临时修改实验内容。

    随着技能大赛在全国范围内如火如荼地开展，越来越多的教师接触到了触摸屏，开始学习使用触摸屏。触摸屏可以和PLC进行互动，用触摸屏上的虚拟按钮控制PLC，可以在触摸屏上显示PLC的输出结果，还能在屏幕上顯示文字和动画。

    用PLC和触摸屏建立一个理想的实验室的可能在于：（1）故障率低，触摸屏没有实体按钮，不容易坏；（2）实验内容形象生动，触摸屏上可以做动画，动画效果和制作投入的精力成正比；（3）实验贴近实际PLC操作环境，学生编程采用最常用的编程软件，可以灵活机动地采用实体元件和触摸屏虚拟元件相结合的方式，让学生熟悉输入输出端口的接线；（4）实验数量够丰富，想要做实验只要去编写对应的触摸屏程序；（5）实验内容灵活，根据教学情况临时修改实验内容只需对编触摸屏程序稍作修改就行。因此，从这些方面看来还是很有希望能建立一个理想中的PLC实验室的。

    3 如何建立PLC仿真实验室

    要建立一个用触摸屏进行仿真的PLC实验室，可以分为5步去做。

    3.1 确定硬件设施

    整个系统需要一台电脑、一块触摸屏、一个PLC，还有若干连接线。硬件设施方面电脑用了学校实验室现有的设备。触摸屏选用昆仑工控的TPC7062KX。TPC7062KX触摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（ARMCPU，主频400MHz）的高性能嵌入式一体化的MCGS触摸屏。该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800X480ppi）。淘宝售价450元，相信绝大多数学校都负担得起。PLC选用了三菱公司的FX-3N，条件差一点的学校用FX-2N也可以。

    3.2 编写组态程序

    MCGSE组态环境是触摸屏对应的编程软件。在编写仿真程序时，主要着重于以下几个方面。

    （1）把触摸屏当IPAD用。现在国外一些学校用IPAD等电子设备来教学，这些电子设备的投入使用有效地提高了教学质量。其实从结构上讲TPC7062KX触摸屏和IPAD差不多，差别在于显示效I网络通信之类的细节问题。但只要设备的功能能满足教学需求，完全可以用触摸屏来替代IPAD。把学案搬到触摸屏上，有助于增强学生互动。比如上课用PPT时经常遇到字太小，学生看不清的情况，有了触摸屏，可以把很多文字性的东西做进仿真程序里面。当然触摸屏最大的功能是仿真实验，这是IPAD永远也做不了的。

    （2）将接线图应用于仿真实验程序。学生在课上认真地画出来要花很长时间，不画从教学角度来讲有所缺失。所以可以折中一下，把接线图上面除端口以外的部分都画出来。而端口让学生自由选择，如选择不合理右方界面会有对应提示。程序在后台会自动和对应动画相连接。很多论文中给出的仿真方案，I/O口都是固定的。在实际的教学中，就会造成全班学生编的程序都一样。最后很多学生相互抄袭，让教学效果大打折扣。

    （3）仿真界面，界面左上角是一个根据接线图自动生成的I/O分配表，不用学生在纸上重复劳动，节约上课时间，在调试编程时也可以作为参考。界面右侧是虚拟元件，只要在对应按钮下面的下拉菜单中选择需要的中间继电器，并在PLC程序里面用该中间继电器作为输入，就可以用虚拟元件替代实体元件。按下虚拟元件的按钮还可以直接驱动虚拟元件，方便程序调试。比如说按下光纤传感器2的按钮，就相当于虚拟光纤传感器2提前检测到信号。界面的左下角是动画仿真，其中动画关闭按钮控制动画仿真是否开启。当有真实的实验设施，但元器件不齐全时，可以将动画关闭，将触摸屏上的虚拟元件作为辅助，手动控制来实现实验操作。如果什么都没有，就将动画打开，动画会模拟真实系统的动作。

    3.3 师资培训

    MCGSE组态软件易学难精，所以对于这个实验室的使用人员，就提出了两个层次的要求。第一个层次是MCGSE组态软件掌握到入门级别，能熟练运用工具箱里面提供的工具制作简单的仿真程序，或对现有的程序进行简单修改以适应教学需求；第二个层次是需要将MCGSE组态软件掌握到专家级别，能深入掌握MCGSE组态软件里面的脚本编程，熟練运用各种函数，快速绘制复杂图形。第一个层次的教师可以利用实验室进行日常教学，第二个层次的教师除了日常教学以外，还负责实验开发、维护。这样的分层有利于大规模快速推广，毕竟不是每个教师都有大量时间和精力花在研宄MCGSE组态环境上的。

    3.4 学生培训

    这个系统对于学生来讲，很容易就能掌握，上课时，学生在电脑上编程，然后把编好的程序写入PLC，再把PLC和触摸屏连上，就可以仿真实验了。整个过程比起普通实验板来讲要简单得多。对于学生培训主要涉及两个方面。一个方面是接线，就是把电脑与PLC断开，再用数据线把触摸屏和PLC连接起来。另一方面就是触摸屏上仿真实验界面的掌握。只要在界面上加上比较详细的注释，配合教师的讲解，学生很快就能熟练掌握。

    3.5 日常维护

    从硬件角度来讲，这个系统对维护的需求是很低的，实验设备不容易损坏。但从软件角度来讲需要努力的部分还很多。MCGSE组态软件开发出来的仿真实验和教师平时用的PPT课件一样，数量上越多越好，质量也需要精益求精。这当然不可能一蹴而就，需要不断地编写和改进，所以最好的解决方法就是和PPT课件一样，建立一个网上资源共享的平台，只有集众人之力才能使这个系统迈向一个新的高度。

    4 结语

    用触摸屏和PLC构成的仿真系统可以较好地应对现在PLC实验室面临的困境，在教学中能解决实验设备不足的局P艮，不仅为PLC实验室建设提供了一条新的途径，而且大大提高了学生的学习兴趣和效率。本文介绍的触摸屏和PLC构成的仿真系统，目前还处于研究和应用的起步阶段，随着仿真实验的丰富，这套系统的作用必将充分体现。

    [参考文献]

    [1]常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

    [2]周美兰，周封，王岳宇.PLC电气控制与组态设计[M].北京：科学出版社，2003.

    [3]北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS使用手册[Z].北京：昆仑通态公司，2005.