“可編程序控制器原理及其應(yīng)用”課程試驗(yàn)教學(xué)軟件的研制

劉建偉　羅雄麟

摘要:本文在原有的TVT-90硬件和軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)“可編程序控制器原理及其應(yīng)用”試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)模擬和仿真,在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)畫(huà)仿真,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以進(jìn)行與生產(chǎn)過(guò)程的交互模擬,反復(fù)驗(yàn)證自己的程序設(shè)計(jì)過(guò)程是否正確,并且理解真實(shí)的生產(chǎn)裝置的控制過(guò)程。

關(guān)鍵詞:可編程序控制器;實(shí)踐教學(xué);動(dòng)態(tài)的模擬

中圖分類(lèi)號(hào):G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1引言

“可編程序控制器原理及其應(yīng)用”課程教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生普遍反映,雖然學(xué)習(xí)了可編程序控制器基本指令及各種基本的程序邏輯回路設(shè)計(jì),掌握了可編程序控制器的基本硬件配置、選型、程序設(shè)計(jì)原理知識(shí)。但是,做了幾個(gè)試驗(yàn)后,由于原有的TVT-90硬件和軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法模擬動(dòng)態(tài)的順序控制和生產(chǎn)流程,程序中的邏輯控制過(guò)程無(wú)法和真實(shí)裝置的狀態(tài)聯(lián)系起來(lái),無(wú)法把程序的抽象符號(hào)和邏輯與真實(shí)的生產(chǎn)過(guò)程或流程聯(lián)系起來(lái),學(xué)生對(duì)可編程序控制器程序的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用過(guò)程仍然模糊。致使課程的教學(xué)效果大打折扣。因而改進(jìn)本課程的試驗(yàn)教學(xué),使程序動(dòng)起來(lái),使學(xué)生體會(huì)到真實(shí)的生產(chǎn)流程與可編程序控制器程序的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系十分必要,對(duì)于改進(jìn)教學(xué)效果是至關(guān)重要的。

本文提出在原有的TVT-90硬件和軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件輔助系統(tǒng),該計(jì)算機(jī)軟件輔助系統(tǒng)與原有的硬件和軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合,更好地實(shí)現(xiàn)課程實(shí)驗(yàn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)對(duì)“可編程序控制器原理及其應(yīng)用”的試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和仿真,在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)畫(huà)仿真,使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí),可對(duì)實(shí)驗(yàn)的順序過(guò)程或工藝過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,反復(fù)驗(yàn)證自己的程序設(shè)計(jì)過(guò)程是否正確,并且理解實(shí)際的生產(chǎn)裝置的控制過(guò)程。

2組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬

我們使用力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)的模擬。下面詳細(xì)介紹利用力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)交通燈自控動(dòng)態(tài)模擬仿真設(shè)計(jì)的過(guò)程,其余的各試驗(yàn)與交通燈自控類(lèi)似,不再詳述。

在力控組態(tài)軟件中要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的應(yīng)用程序工程,首先為該應(yīng)用程序工程指定工程路徑,不同的工程不能使用同一工程路徑,工程路徑保存著力控組態(tài)軟件生成的組態(tài)文件,它包含了區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備連接、監(jiān)控畫(huà)面、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等各個(gè)方面的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行信息。組態(tài)的一般過(guò)程是:繪制圖形界面、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、配置I/O設(shè)備并進(jìn)行I/O數(shù)據(jù)連接、建立動(dòng)畫(huà)連接、運(yùn)行及調(diào)試。

2.1創(chuàng)建組態(tài)界面

進(jìn)入開(kāi)發(fā)系統(tǒng)后,可以為每個(gè)工程建立無(wú)限數(shù)目的畫(huà)面,在每個(gè)畫(huà)面上可以包含組態(tài)相互關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖形,這些畫(huà)面是由開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供的豐富的圖形對(duì)象組成的。

(1) 創(chuàng)建新畫(huà)面

進(jìn)入開(kāi)發(fā)環(huán)境Draw后,首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新窗口。選擇“文件[F]/新建”命令出現(xiàn)“窗口屬性”對(duì)話(huà)框,輸入流程圖畫(huà)面的標(biāo)題名稱(chēng),命名為“交通燈控制”。單擊按鈕“背景色”,出現(xiàn)調(diào)色板,選擇其中的一種顏色作為窗口背景色。其他的選項(xiàng)可以使用缺省設(shè)置。

(2) 創(chuàng)建圖形對(duì)象與組態(tài)交通燈控制系統(tǒng)

現(xiàn)在,在屏幕上有了一個(gè)窗口,還應(yīng)看見(jiàn)Draw的工具箱。利用工具箱中提供的繪圖工具畫(huà)出所需的監(jiān)控畫(huà)面,步驟如下:

① 創(chuàng)建監(jiān)控畫(huà)面背景:單擊力控組態(tài)軟件窗口右側(cè)工具欄中的“常用組件”,再選中“常用組件”中的“位圖”組件。在(1)中新建的畫(huà)面上的任意處單擊,出現(xiàn)“位圖”加載對(duì)話(huà)框,選擇正確的路徑將“交通燈控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面背景圖”加載到“交通燈控制”畫(huà)面中,單擊“打開(kāi)”按鈕完成加載。

② 創(chuàng)建交通燈圖形對(duì)象:單擊力控組態(tài)軟件的“擴(kuò)展工具欄”中的“選擇圖庫(kù)”按鈕,在彈出的“圖庫(kù)”對(duì)話(huà)框左側(cè)的目錄欄中選擇所需的目錄“報(bào)警燈”,然后雙擊右側(cè)的圖標(biāo),被雙擊的圖標(biāo)將會(huì)顯示在(1)中新建的畫(huà)面“交通燈控制”畫(huà)面的左上角,采用相同的方法創(chuàng)建其余的交通信號(hào)燈,如圖1所示。

在(1)中新建的畫(huà)面上的任意處按下鼠標(biāo)左鍵,然后拖動(dòng)鼠標(biāo),直到出現(xiàn)自己所需的交通信號(hào)燈圖形,用同樣的方法創(chuàng)建其余的交通信號(hào)燈。選中創(chuàng)建的圖形對(duì)象,單擊鼠標(biāo)右鍵,然后選擇“對(duì)象屬性”進(jìn)行圖形對(duì)象的“靜態(tài)”屬性設(shè)置,可以設(shè)置位置大小、背景顏色、邊線(xiàn)顏色、圖層、線(xiàn)寬等。

用上述方法創(chuàng)建“交通燈控制”畫(huà)面所需的全部圖形對(duì)象,創(chuàng)建過(guò)程中盡量使用力控組態(tài)軟件自身提供的圖元,用戶(hù)也可以創(chuàng)建具有獨(dú)特功能或者具有自己風(fēng)格的圖元,然后封裝成標(biāo)準(zhǔn)圖元,添加到圖元庫(kù)中,下次使用時(shí)就可當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)圖元使用。

③ 創(chuàng)建按鈕:我們要用幾個(gè)按鈕來(lái)執(zhí)行啟動(dòng)設(shè)備、停止設(shè)備、完成特殊功能的任務(wù)。選擇工具箱中的“按鈕”工具■,畫(huà)一個(gè)按鈕。把按鈕挪到合適的位置并調(diào)整好它的大小。按鈕上有一個(gè)標(biāo)志“Text”(文本)。選定這個(gè)按鈕,在文本框中輸入“開(kāi)始”,然后單擊“確認(rèn)”。用同樣的方法繼續(xù)創(chuàng)建“南北急通車(chē)”按鈕、“東西急通車(chē)”按鈕。

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中要求用“撥盤(pán)寄存器”存放綠燈閃爍的時(shí)間,可在編寫(xiě)梯形圖時(shí)用一個(gè)字傳送指令將“撥盤(pán)寄存器”中存放的值傳送到控制綠燈閃爍的定時(shí)器對(duì)應(yīng)的寄存器中。考慮到現(xiàn)在的側(cè)重點(diǎn)是進(jìn)行上位機(jī)的組態(tài),故采用力控組態(tài)軟件提供的“游標(biāo)”來(lái)完成上述功能,兩者的區(qū)別是在下位機(jī)要做的工作改到上位機(jī)進(jìn)行,創(chuàng)建“游標(biāo)”的步驟與用圖庫(kù)創(chuàng)建按鈕的步驟大體一致,不同點(diǎn)在于創(chuàng)建“游標(biāo)”時(shí)選擇“圖庫(kù)”左側(cè)的“游標(biāo)”子目錄。

對(duì)上述步驟創(chuàng)建的圖元進(jìn)行合理的布局,在力控組態(tài)軟件中得到完整的交通燈控制圖如圖2所示。

至此已經(jīng)完成了“交通燈控制系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面”應(yīng)用程序的圖形描述部分的工作。下面還要做幾件事。這就是定義I/O設(shè)備、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、制作動(dòng)畫(huà)連接和設(shè)置I/O驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)庫(kù)是應(yīng)用程序的核心,動(dòng)畫(huà)連接使圖形“活動(dòng)”起來(lái),I/O驅(qū)動(dòng)程序完成與硬件測(cè)控設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

2.3定義I/O設(shè)備

I/O設(shè)備的通信一般包括:DDE、OPC、PLC、UPS、變頻器、智能儀表、智能模塊、板卡等,這些設(shè)備一般通過(guò)串口和以太網(wǎng)等方式與上位機(jī)交換數(shù)據(jù),只有在定義了IO設(shè)備后,力控組態(tài)軟件才能通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)變量和這些IO設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,定義IO設(shè)備的步驟如下:

我們后面要在數(shù)據(jù)庫(kù)中定義幾個(gè)與交通燈控制有關(guān)的點(diǎn),但問(wèn)題是這幾個(gè)點(diǎn)的過(guò)程值(即它們的PV參數(shù)值)從何而來(lái),由于數(shù)據(jù)庫(kù)是從I/O Server(即I/O驅(qū)動(dòng)程序)中獲取過(guò)程數(shù)據(jù)的,所以我們必須要明確這幾個(gè)點(diǎn)要從哪一個(gè)設(shè)備獲取過(guò)程數(shù)據(jù)時(shí),就需要定義I/O設(shè)備。

(1) 在Draw導(dǎo)航器中雙擊“I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)”項(xiàng)目,在展開(kāi)項(xiàng)目中選擇“PLC”項(xiàng)并雙擊使其展開(kāi),然后繼續(xù)選擇“(松下)”并雙擊使其展開(kāi)后,選擇項(xiàng)目“FP-24(PPI)”。如圖3所示。

(2) 雙擊“FP-24(PPI)”出現(xiàn)“I/O設(shè)備定義”對(duì)話(huà)框,在“設(shè)備名稱(chēng)”輸入框內(nèi)鍵入一個(gè)人為定義的名稱(chēng),為了便于記憶,我們輸入“PLC”。接下來(lái)要設(shè)置PLC的采集參數(shù)與站地址,即“數(shù)據(jù)更新周期”和“超時(shí)時(shí)間”。在“數(shù)據(jù)更新周期”輸入框內(nèi)鍵入50毫秒,在設(shè)備地址中鍵入“2”,該地址必須與PLC下位機(jī)指定的地址一致。如圖4所示。

(3) 單擊“下一步”按鈕,出現(xiàn)裝備配置第二步對(duì)話(huà)框,串口的下拉菜單中選“COM1”作為通信口,然后點(diǎn)擊右邊的“設(shè)置”按鈕,進(jìn)行通信參數(shù)的配置,設(shè)置好以后單擊“保存”按鈕。如圖5所示。

(4) 單擊“完成”按鈕返回,在設(shè)備組態(tài)畫(huà)面的右側(cè)增加了一項(xiàng)“PLC”。如果要對(duì)I/O設(shè)備“PLC”的配置進(jìn)行修改,雙擊項(xiàng)目“PLC”,會(huì)再次出現(xiàn)PLC的“I/O設(shè)備定義”對(duì)話(huà)框。若要?jiǎng)h除I/O設(shè)備“plc”,用鼠標(biāo)右鍵單擊項(xiàng)目“plc”,在彈出的右鍵菜單中選擇“刪除”。

2.4創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)DB是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的核心以及構(gòu)建分布式應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中,我們操縱的對(duì)象是點(diǎn)(TAG),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)點(diǎn)名字典決定數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu),分配數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)空間。在點(diǎn)名字典中,每個(gè)點(diǎn)都包含若干參數(shù)。一個(gè)點(diǎn)可以包含一些系統(tǒng)預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)參數(shù),還可包含若干個(gè)用戶(hù)自定義參數(shù)。

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)的步驟:

(1) 在Draw導(dǎo)航器中雙擊“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)”項(xiàng)使其展開(kāi),在展開(kāi)項(xiàng)目中雙擊“數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)”啟動(dòng)組態(tài)程序DBManager(如果沒(méi)有看到導(dǎo)航器窗口,激活Draw菜單命令“查看/導(dǎo)航器”)。

(2) 啟動(dòng)DBManager后出現(xiàn)如圖6所示的DBManager主窗口。

(3) 單擊菜單條的“點(diǎn)”選項(xiàng)選擇新建或雙擊單元格,出現(xiàn)“請(qǐng)指定區(qū)域、點(diǎn)類(lèi)型”向?qū)?duì)話(huà)框,然后雙擊該點(diǎn)類(lèi)型,出現(xiàn)“新增:區(qū)域0-數(shù)字I/O點(diǎn)”對(duì)話(huà)框,在“點(diǎn)名(NAME)”輸入框內(nèi)鍵入點(diǎn)名“START”。如圖7所示。

其他參數(shù)如量程、報(bào)警參數(shù)等可以采用系統(tǒng)提供的缺省值。單擊“確定”按鈕返回,在點(diǎn)名單元格中增加了一個(gè)點(diǎn)名“START”,按如上所述步驟,創(chuàng)建所需的數(shù)字I/O點(diǎn)。

2.5實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與I/O設(shè)備連接

前面創(chuàng)建了一個(gè)名為“PLC”的I/O設(shè)備,而且它連接的正是我們使用的plc設(shè)備?，F(xiàn)在的問(wèn)題是如何將已經(jīng)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)與plc中的數(shù)據(jù)項(xiàng)聯(lián)系起來(lái),以使這幾個(gè)點(diǎn)的PV參數(shù)值能與I/O設(shè)備plc進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。這個(gè)過(guò)程就是建立數(shù)據(jù)連接的過(guò)程。由于數(shù)據(jù)庫(kù)可以與多個(gè)I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,所以必須指定哪些點(diǎn)與哪個(gè)I/O的哪個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)設(shè)備建立數(shù)據(jù)連接。如圖8所示。

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)鏈接的步驟:

(1) 雙擊數(shù)據(jù)庫(kù)中點(diǎn)START的單元格,選擇“數(shù)據(jù)連接”選項(xiàng)或雙擊LEVEL所對(duì)的“%IOLINK[I/O連接]”單元格,出現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)連接對(duì)話(huà)框。

(2) 出現(xiàn)PLC的數(shù)據(jù)連接對(duì)話(huà)框,單擊增加按鈕,“寄存器地址”選擇“0”,“寄存器類(lèi)型”指定為“增量寄存器”,然后單擊“確定”按鈕返回,完成該點(diǎn)數(shù)據(jù)連接的定義,在點(diǎn)START的I/O連接單元格中列出了點(diǎn)START的數(shù)據(jù)連接項(xiàng)。

(3) 反復(fù)進(jìn)行(1)、(2)步驟,對(duì)交通燈監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)做相應(yīng)的處理。

2.6制作動(dòng)畫(huà)連接

現(xiàn)在我們又要回到開(kāi)發(fā)環(huán)境Draw中,通過(guò)制作動(dòng)畫(huà)連接使圖形在畫(huà)面上隨仿真數(shù)據(jù)的變化而活動(dòng)起來(lái),制作動(dòng)畫(huà)連接步驟如下:

(1) 制作交通信號(hào)燈的動(dòng)畫(huà)連接

雙擊南北方向的紅燈圖元,出現(xiàn)“動(dòng)畫(huà)連接”對(duì)話(huà)框,因?yàn)樾盘?hào)燈在控制系統(tǒng)中僅僅是顏色改變,故選擇“顏色相關(guān)動(dòng)作”欄中“顏色變化”框的“條件”按鈕,在彈出的對(duì)話(huà)框中進(jìn)行變量的選擇與條件真、假時(shí)顏色的變化的設(shè)置。如圖9所示。

(2) 制作車(chē)輛圖元的動(dòng)畫(huà)連接

為了在上位機(jī)上生動(dòng)顯示組態(tài)的優(yōu)越性,加入了車(chē)輛圖元來(lái)仿真實(shí)際的十字路口的交通情況。“車(chē)輛”的移動(dòng)必須借助一個(gè)變量來(lái)實(shí)現(xiàn),本實(shí)驗(yàn)定義的控制車(chē)輛移動(dòng)的變量是CAR_SN和CAR_EW,而該變量的改變要由主程序來(lái)實(shí)現(xiàn),在工程項(xiàng)目欄中“動(dòng)作”的“應(yīng)用程序動(dòng)作”中輸入如下程序:

IF Q3.PV==0&&Q0.PV==1 THEN

//南北方向可以行駛車(chē)輛 CAR_EW.PV=0; //初始化東西方向車(chē)輛 //倒計(jì)時(shí)顯示控制 IF VW2.PV<=80 THEN RED.PV=8-(VW2.PV/10); GRE.PV=6-(VW2.PV/10); IF GRE.PV<0 THEN GRE.PV=0; ENDIF ENDIF //南北方向車(chē)輛流通控制 IF Q4.PV==0&&GRE.PV<=6 THEN CAR_SN.PV=CAR_SN.PV+60; IF CAR_SN.PV>600 THEN hide(); CAR_SN.PV=0; Show(); ENDIF ENDIF IF Q4.PV==1&&CAR_SN.PV>=60 THEN CAR_SN.PV=CAR_SN.PV+100; BEEP(-1); IF CAR_SN.PV>600 THEN hide(); CAR_SN.PV=0; Show(); ENDIF ENDIF ENDIF

東西方向類(lèi)似。然后將車(chē)輛圖元?jiǎng)赢?huà)連接的目標(biāo)移動(dòng)與對(duì)應(yīng)的變相連接,便可以實(shí)現(xiàn)“車(chē)輛”的移動(dòng)。

2.7用指示燈模擬交通燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程

為了顯示上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的可操作性,我們可在上位機(jī)的組態(tài)軟件中定義軟啟動(dòng)按鈕與PLC中的中間繼電器“相連”,通過(guò)對(duì)中間繼電器的讀寫(xiě)來(lái)代替現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的傳輸,以方便操作。待以上工作都準(zhǔn)備好以后,通過(guò)改變PPI自身的撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)改變其工作狀態(tài),達(dá)到從連接編程器到連接上位機(jī)的改變。在力控組態(tài)軟件中運(yùn)行組態(tài)監(jiān)控程序,得到最終的運(yùn)行效果圖如圖10所示。

3其他幾個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

對(duì)于幾個(gè)主要的試驗(yàn):交通燈手控與自控、自控成型機(jī)、自控軋鋼機(jī),以及水塔水位自動(dòng)控制,其組態(tài)軟件監(jiān)控畫(huà)面如圖11～圖13所示。

4結(jié)論

通過(guò)組態(tài)軟件輔助系統(tǒng)對(duì)“可編程序控制器原理及其應(yīng)用”課程試驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn),深化了課程建設(shè),提高了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí),可通過(guò)人機(jī)界面對(duì)可編程序控制器的程序運(yùn)行實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控,并可對(duì)實(shí)驗(yàn)的順序過(guò)程或工藝過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以進(jìn)行與生產(chǎn)過(guò)程的交互模擬,充分掌握課堂教學(xué)內(nèi)容。本科學(xué)生經(jīng)過(guò)本課程的學(xué)習(xí)后,無(wú)論是就業(yè)還是進(jìn)入研究生階段繼續(xù)深造,均打下良好的基礎(chǔ)。

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The Development of Teaching Software of the Principle of Programmable Controller and Its Application

LIU Jian-wei, LUO Xiong-lin

(China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Abstract: In this paper, we use configuration software fulfill the dynamic simulation of experiments of “The principle of programmable controller and its application” lesson on the TVT-90 hardware and software experiment system. Animation simulation of experimental procedures in computer made its accessible of interaction of students and production process, students can repeat test the correctness of their program design, and understand true control process of production equipments.

Key words: the programming controller; practical teaching; dynamic simulation