技术领域
[0001] 本
发明属于自动化教学应用领域，更具体地说，涉及一种面向PLC教学实验室的仿真试验台及其数据通信方法。
背景技术
[0002] 可编程
控制器技术最初是替代继电
接触器控制技术而产生的，随着科学技术的发展，该项技术已经由单一的逻辑控制发展成为PLC与PLC之间的网络控制，以及现在的PLC与计算机之间的通讯控制，它已经逐步渗透到各个领域，应用极其广泛。在教育应用方面，PLC已经成为工科类院校电气相关专业的必修课，为了巩固学生所学的理论知识，一套高效的PLC实验室仿真方法就显得十分必要和迫切。
[0003] 现今的PLC教学实验台装置层出不穷，但大部分具有繁琐的模
块，不仅体积庞大而且能够实现的功能十分单一，虽然也有一些实验台勉强可以集成十多个实验，但是复杂的
电路也挫伤了PLC初学者的学习兴趣；针对大型工业实验仅有控制器，没有被控对象，学生只能进行验证性的编程操作，没有条件与外围高级工业设备连接及开展实验；PLC控制器之间相互独立，难以互通数据；另外，这些实训设备价格高昂，厂家为了降低成本，实验台多用
开关和LED等来模拟现场，无法对复杂的系统进行仿真，仅局限于
基础实验，影响了教学的直观性和趣味性。造成上述现象的主要原因在于缺乏一种开放的PLC教学实验台架构以及有效的数据通信方法。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的缺点，提供一种新的面向PLC教学实验室的仿真试验台及其数据通信方法，用以解决现有PLC教学实验室实验功能单一、难以开展复杂系统的仿真模拟试验的技术问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种面向PLC教学实验室的仿真试验台，包括教学站系统和学生站系统，两者通过总交换机以太网连接；
[0006] 所述教学站系统包括：一台工控机、一台教师PC机、一台
服务器；
[0007] 所述服务器用于存储和运行工业复杂系统被控对象的物理模型，服务器分配了M个虚拟控制
节点，包括1个教师节点与M-1个学生节点，每个控制节点对应特定的端口；所述虚拟控制节点具有模拟物理控制站执行控制程序的功能；
[0008] 所述工控机通过硬接线与所述学生站系统的M-1台学生PLC连接，工控机每个输入/输出
信号能分别与M-1台学生PLC内部的输入/输出继电器一一对应；所述工控机用于采集M-1台学生PLC的所有输入输出数据，为学生站的学生PC机上的监控界面程序与M-1台学生PLC中的逻辑控制程序之间提供数据传输的通道；
[0009] 所述教师PC机装有仿真组态
软件；所述仿真组态
软件包括逻辑组态软件，监控界面软件，以及通信
接口模块；所述监控界面软件用于设计被控对象的物理模型，并显示被控对象的控制效果；所述逻辑组态软件用于编写被控对象的控制逻辑，实现预置的控制功能；
[0010] 所述服务器与工控机均装载有数据搬迁软件，所述数据搬迁软件用于实现服务器各虚拟控制节点与工控机内存之间的数据搬迁与共享；
[0011] 所述学生站系统包括：M-1个学生站，每个学生站由一台学生PLC以及学生PC机构成，两者通过分交换机连接；
[0012] 所述学生PC机装有仿真组态软件；所述仿真组态软件包括逻辑组态软件，监控界面软件，以及
通信接口模块；所述监控界面软件用于设计被控对象的物理模型，并显示被控对象的控制效果；所述逻辑组态软件用于编写被控对象的控制逻辑，实现预置的控制功能，并将其下载至学生PLC中运行。
[0013] 在本发明一
实施例中，所述仿真试验台的工作原理是先将学生站的学生PLC和学生PC机串口连接起来，再利用仿真组态软件来构建控制系统被控对象的仿真模型，并通过在教师PC机、学生PC机上运行仿真模型和控制组态程序，来达到在半实物条件下进行仿真的目的。
[0014] 在本发明一实施例中，所述被控对象的仿真模型能够通过监控界面相应组件进行
修改，从而实现系统控制程序进行在线修改和调试。
[0015] 本发明还提供了一种基于上述所述面向PLC教学实验室的仿真试验台的数据通信方法，包括如下步骤，
[0016] 步骤S1、教师通过教师PC机的监控界面软件将被控设备的物理模型数据下载至服务器对应的虚拟控制节点中；
[0017] 步骤S2、学生开始实验时，在学生PC机上通过监控界面软件设计试验画面，并在所设计的试验画面上触发被控设备的操控指令，将操控指令信号值发送至服务器上对应的虚拟控制节点地址；
[0018] 步骤S3、利用数据搬迁软件将服务器中各虚拟控制节点上的相应的操控指令数据搬迁至工控机的输入内存区；
[0019] 步骤S4、将工控机的操控指令数据通过硬接线传递给对应的学生PLC；
[0020] 步骤S5、学生通过学生PC机的逻辑组态程序编写被控对象的控制程序，并载入学生PLC中执行；
[0021] 步骤S6、学生PLC将执行后的控制输出结果通过硬接线传递给所述工控机；
[0022] 步骤S7、通过数据搬迁软件将工控机的输入输出值搬迁至服务器对应的虚拟控制节点中，驱动被控设备物理模型的计算，实现被控设备动作的执行；
[0023] 步骤S8、通过学生PC机的监控界面软件从服务器对应的虚拟控制节点中读取数值，并动态地显示被控对象的控制状态；
[0024] 步骤S9、学生通过监控界面的动态情况判断试验需求是否完成，若达到试验的需求，试验结束，若没有达到预期效果，则继续修改学生PLC的控制程序，重复步骤S5、S6、S7、S8直到达到试验需求效果，结束试验。
[0025] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0026] 1、本发明提供的仿真试验台，采用
半实物仿真的架构，教师站系统提供丰富的工业设备仿真模型，学生可以通过PLC和仿真组态软件操控工控系统的设备模型，实时地监控及调试被控对象的控
制动态，从而达到模拟工业控制系统的实训目的，而且该方法的仿真效果更加逼真、更接近生产实际，可以有效地激发学生的学习兴趣、创造
力。例如，可以提供目前工业常见的
电机控制、自动装料系统控制，成型机控制等设备模型，使教学实践更加贴切实际生产，对于培养学生的PLC应用能力，培养学生的工程实践能力极为有利的；
[0027] 2、本发明提供的仿真试验台的通信方法，利用数据搬迁软件与工控机的数据传输中转作用，使得试验台架构更具灵活性和可扩展性。在
系统软件及网络架构不变的情况下，系统中各类
硬件，包括PC、PLC、工控机等可以不限制厂商来源，实验室均可自主选购、升级或更换，而且学生站的硬件装置也可以依照学生数量和实验教学的需要灵活地调整、扩展。
附图说明
[0028] 图1为本发明本发明中仿真试验台的硬件架构图。
[0029] 图2为本发明中仿真试验台的数据通信原理图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0031] 本发明的一种面向PLC教学实验室的仿真试验台，包括教学站系统和学生站系统，两者通过总交换机以太网连接；
[0032] 所述教学站系统包括：一台工控机、一台教师PC机、一台服务器；
[0033] 所述服务器用于存储和运行工业复杂系统被控对象的物理模型，服务器分配了M个虚拟控制节点，包括1个教师节点与M-1个学生节点，每个控制节点对应特定的端口；所述虚拟控制节点具有模拟物理控制站执行控制程序的功能；
[0034] 所述工控机通过硬接线与所述学生站系统的M-1台学生PLC连接，工控机每个输入/
输出信号能分别与M-1台学生PLC内部的输入/输出继电器一一对应；所述工控机用于采集M-1台学生PLC的所有输入输出数据，为学生站的学生PC机上的监控界面程序与M-1台学生PLC中的逻辑控制程序之间提供数据传输的通道；
[0035] 所述教师PC机装有仿真组态软件；所述仿真组态软件包括逻辑组态软件，监控界面软件，以及通信接口模块；所述监控界面软件用于设计被控对象的物理模型，并显示被控对象的控制效果；所述逻辑组态软件用于编写被控对象的控制逻辑，实现预置的控制功能；
[0036] 所述服务器与工控机均装载有数据搬迁软件，所述数据搬迁软件用于实现服务器各虚拟控制节点与工控机内存之间的数据搬迁与共享；
[0037] 所述学生站系统包括：M-1个学生站，每个学生站由一台学生PLC以及学生PC机构成，两者通过分交换机连接；
[0038] 所述学生PC机装有仿真组态软件；所述仿真组态软件包括逻辑组态软件，监控界面软件，以及通信接口模块；所述监控界面软件用于设计被控对象的物理模型，并显示被控对象的控制效果；所述逻辑组态软件用于编写被控对象的控制逻辑，实现预置的控制功能，并将其下载至学生PLC中运行。
[0039] 所述仿真试验台的工作原理是先将学生站的学生PLC和学生PC机串口连接起来，再利用仿真组态软件来构建控制系统被控对象的仿真模型，并通过在教师PC机、学生PC机上运行仿真模型和控制组态程序，来达到在半实物条件下进行仿真的目的。所述被控对象的仿真模型能够通过监控界面相应组件进行修改，从而实现系统控制程序进行在线修改和调试。
[0040] 本发明还提供了一种基于上述所述面向PLC教学实验室的仿真试验台的数据通信方法，包括如下步骤，
[0041] 步骤S1、教师通过教师PC机的监控界面软件将被控设备的物理模型数据下载至服务器对应的虚拟控制节点中；
[0042] 步骤S2、学生开始实验时，在学生PC机上通过监控界面软件设计试验画面，并在所设计的试验画面上触发被控设备的操控指令，将操控指令信号值发送至服务器上对应的虚拟控制节点地址；
[0043] 步骤S3、利用数据搬迁软件将服务器中各虚拟控制节点上的相应的操控指令数据搬迁至工控机的输入内存区；
[0044] 步骤S4、将工控机的操控指令数据通过硬接线传递给对应的学生PLC；
[0045] 步骤S5、学生通过学生PC机的逻辑组态程序编写被控对象的控制程序，并载入学生PLC中执行；
[0046] 步骤S6、学生PLC将执行后的控制输出结果通过硬接线传递给所述工控机；
[0047] 步骤S7、通过数据搬迁软件将工控机的输入输出值搬迁至服务器对应的虚拟控制节点中，驱动被控设备物理模型的计算，实现被控设备动作的执行；
[0048] 步骤S8、通过学生PC机的监控界面软件从服务器对应的虚拟控制节点中读取数值，并动态地显示被控对象的控制状态；
[0049] 步骤S9、学生通过监控界面的动态情况判断试验需求是否完成，若达到试验的需求，试验结束，若没有达到预期效果，则继续修改学生PLC的控制程序，重复步骤S5、S6、S7、S8直到达到试验需求效果，结束试验。
[0050] 以下为本发明的具体实施过程。
[0051] （一）、本发明的面向PLC教学实验室的仿真试验台，所提供的仿真试验台采用基于PLC的半实物仿真的架构，如图1所示，具体如下：
[0052] 1、包括教学站系统和学生站系统，两者通过总交换机以太网连接。
[0053] 2、所述教学站系统包括：一台大型工控机、一台教师PC机、一台服务器。
[0054] （1）所述服务器主要用来存储和运行工业复杂系统被控对象的物理模型，服务器分配了M个虚拟控制节点，包括1个教师节点与M-1个学生节点，每个控制节点对应特定的端口；所述虚拟控制节点具有模拟物理控制站执行控制程序的功能。
[0055] （2）所述工控机通过硬接线与学生站系统的M-1台小型PLC连接，工控机每个输入/输出信号能分别与PLC内部的输入/输出继电器一一对应。所述工控机用于采集M-1台小型PLC的所有输入输出数据，为学生站PC上的监控界面程序与小型PLC中的逻辑控制程序之间提供数据传输的通道。
[0056] （3）所述服务器与工控机均装载有数据搬迁软件，所述数据搬迁软件主要用于实现服务器各虚拟控制节点与工控机内存之间的数据搬迁与共享。
[0057] 3、所述学生站系统包括：M-1个学生站，每个学生站由一组PLC设备以及学生PC机构成，两者通过分交换机连接。
[0058] （1）所述学生PC机与教师PC机均装有仿真组态软件。
[0059] （2）所述仿真组态软件主要包括逻辑组态软件，监控界面软件，以及通信接口模块；所述监控界面软件用于设计被控对象的物理模型，并显示被控对象的控制效果；
[0060] （3）所述逻辑组态软件用于编写被控对象的控制逻辑，实现特定的控制功能，并将其下载至小型PLC中运行。
[0061] （二）、本发明的面向PLC教学实验室的仿真试验台：所提供的仿真试验台的工作原理是先将学生站的PLC控制器和PC串口连接起来，再利用仿真组态软件来构建控制系统被控对象的仿真模型，并通过在PC上运行仿真模型和控制组态程序，来达到在半实物条件下进行仿真的目的。进一步地，被控对象的仿真模型也可以通过监控界面相应组件进行修改，从而实现系统控制程序进行在线修改和调试。
[0062] （三）、本发明还提供了一种基于上述面向PLC教学实验室的仿真试验台的数据通信方法，如图2所示，具体原理如下：
[0063] 1、教师通过教师PC的监控界面软件将被控设备的物理模型数据下载至服务器对应的虚拟控制节点中。
[0064] 2、学生开始实验时，在学生PC上通过监控界面软件设计试验画面，并在所设计的试验画面上触发被控设备的操控指令（例如某设备的启动操作），将操控指令信号值发送至服务器上对应的虚拟控制节点地址；
[0065] 3、利用数据搬迁软件将服务器中各虚拟控制节点上的相应的操控指令数据搬迁至工控机的输入内存区；
[0066] 4、将工控机的操控指令数据通过硬接线传递给对应的小型PLC；
[0067] （以上2、3、4步骤即实现将学生PC上的监控画面启停操作数据传递到小型PLC相应内存中。）
[0068] 5、学生通过学生PC的逻辑组态程序编写被控对象的控制程序，并载入小型PLC中执行；
[0069] 6、小型PLC将执行后的控制输出结果通过硬接线传递给所述工控机；
[0070] 7、通过数据搬迁软件将工控机的输入输出值搬迁至服务器对应的虚拟控制节点中，驱动被控设备物理模型的计算，实现被控设备动作的执行；
[0071] 8、通过学生PC的监控界面软件从服务器对应的虚拟控制节点中读取数值，并动态地显示被控对象的控制状态；
[0072] 9、学生通过监控界面的动态情况判断试验需求是否完成，若达到试验的需求，试验结束，若没有达到预期效果，则继续修改小型PLC的控制程序，重复5、6、7、8直到达到试验需求效果，结束试验。
[0073] 以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
