組態(tài)軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

封定國

摘要:本文分析了目前自動化專業(yè)職業(yè)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題,進(jìn)而提出了采用組態(tài)軟件編制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的對策。以水塔水位的PLC控制實(shí)驗(yàn)為例,介紹了MCGS監(jiān)控程序的開發(fā)過程及其在自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:組態(tài)軟件;實(shí)驗(yàn)教學(xué);自動化

自動化專業(yè)職業(yè)教育是一門“設(shè)備依賴性強(qiáng)”,與經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常密切的教育。當(dāng)前我國對該專業(yè)的技能型人才需求量非常大,但其目前也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):職教學(xué)校的實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足、型號落后,更重要的是如何在條件有限的情況下根據(jù)自身需求對現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行充分利用與升級改造,以滿足教學(xué)的要求。

當(dāng)前自動化專業(yè)技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,大部分學(xué)校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)是通過購買教學(xué)設(shè)備廠家的模擬實(shí)驗(yàn)板或者廠商開發(fā)的仿真軟件進(jìn)行模擬(仿真)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來實(shí)現(xiàn)的。

目前最常用的是模擬實(shí)驗(yàn)板(以PLC水塔水位控制實(shí)驗(yàn)為例)——利用開關(guān)和發(fā)光二極管來模擬水箱水位控制的動作過程。該方式優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜,但是模擬方式很呆板,不能模擬實(shí)時(shí)的水箱水位控制過程,模擬效果很差,學(xué)生直觀感受很差,教學(xué)效果很難保證。

另一種方式是直接購買教學(xué)設(shè)備廠商開發(fā)出的一些仿真軟件,但這些仿真軟件往往是隨成套設(shè)備“贈送”的,價(jià)格昂貴。這種解決方案優(yōu)點(diǎn)是學(xué)校方面比較省事,但是缺點(diǎn)也很明顯,價(jià)格昂貴,更重要的是教師在實(shí)際應(yīng)用中很難根據(jù)教學(xué)和行業(yè)的特殊要求對軟件進(jìn)行再開發(fā)。也有學(xué)校組織教師利用FLASH等軟件開發(fā)仿真軟件,但是這類仿真軟件往往只能解決讓學(xué)生理解設(shè)備動作過程的問題,并不能與PLC以及變頻器等工業(yè)設(shè)備進(jìn)行通訊(例如:不能讓學(xué)生對PLC編程,用PLC控制FLASH動畫動作,方便程序調(diào)試)。自編軟件與PLC、變頻器以及觸摸屏等設(shè)備進(jìn)行通訊并實(shí)現(xiàn)編程調(diào)試,將是一項(xiàng)非常龐大的工作,具有較高的實(shí)施難度,不是一般的自動控制專業(yè)的教師所能獨(dú)立完成的工作。

一、采用組態(tài)軟件編制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

教師們面對教學(xué)設(shè)備廠商“贈送”的教學(xué)仿真軟件時(shí)往往非常無奈:教學(xué)設(shè)備采購資金缺乏,自編軟件能力有限等。有沒有辦法在降低資金投入和設(shè)計(jì)難度的前提下開發(fā)出適應(yīng)專業(yè)教學(xué)要求的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)呢?利用組態(tài)軟件,自動控制專業(yè)專職教師也可以開發(fā)出適應(yīng)教學(xué)需要的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件,它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境,使用靈活的組態(tài)方式,為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議,并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。

組態(tài)軟件目前主要集中應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控方面。但是,組態(tài)軟件本身具有以下特點(diǎn):①提供了大量的繪圖工具和基礎(chǔ)圖符,省去了在類似FLASH等軟件上的基本元件的構(gòu)圖過程,同時(shí)組態(tài)軟件本身具有與工業(yè)設(shè)備通訊的能力。②組態(tài)軟件可以直接從其官方網(wǎng)站下載。軟件本身有一小段無限制試用時(shí)間(例如:MCGS組態(tài)軟件有30分鐘無限制使用時(shí)間——組態(tài)開發(fā)過程所用時(shí)間不計(jì))對教學(xué)應(yīng)用來說是完全開放的。③組態(tài)軟件目前的應(yīng)用也越來越廣泛,是自動控制專業(yè)教師和學(xué)生需要學(xué)習(xí)的一個(gè)內(nèi)容?；谠撥浖脚_的開發(fā)過程在難度上并不太大,學(xué)生在應(yīng)用基于組態(tài)軟件開發(fā)的仿真系統(tǒng)時(shí)也是在學(xué)習(xí)組態(tài)軟件的應(yīng)用,可以說是一舉多得?；谝陨侠碛?可以說組態(tài)軟件是非常優(yōu)秀的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)平臺。

二、利用MCGS組態(tài)軟件編程的實(shí)例分析

當(dāng)前市場上常用的組態(tài)軟件有Wonderware的InTouch軟件、Intellution公司的Fix組態(tài)軟件、CiT公司的Citech、Simens的WinCC、組態(tài)王、華富計(jì)算機(jī)公司的Controx2000、大慶三維公司的ForceControl(力控),還有GE的Cimplici- ty,Rockwell的RsView,NI的LookOut,PC- Soft的Wizcon以及昆侖通態(tài)的MCGS等。MCGS組態(tài)軟件是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的一款工業(yè)組態(tài)軟件。下面以MCGS組態(tài)軟件通用版為例開發(fā)一個(gè)水塔水位控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1.設(shè)計(jì)監(jiān)控界面

在MCGS組態(tài)平臺上,創(chuàng)建“水塔水位PLC自動控制系統(tǒng)”用戶窗口,單擊“動畫組態(tài)”,進(jìn)入動畫制作窗口。利用組態(tài)工具,繪制“水塔水位PLC自動控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面(見圖1)。

2.定義數(shù)據(jù)變量

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是MCGS工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)變量是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本單元,建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)變量的過程。定義數(shù)據(jù)變量的內(nèi)容主要包括:指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍,確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù),如存盤的周期、存盤的時(shí)間范圍和保存期限等(見圖2)。

3.動畫連接

由圖形對象搭制而成的圖形界面是靜止不動的,需要對這些圖形對象進(jìn)行動畫設(shè)計(jì),真實(shí)地描述外界對象的狀態(tài)變化,達(dá)到過程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。MCGS實(shí)現(xiàn)圖形動畫設(shè)計(jì)的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關(guān)性連接,并設(shè)置相應(yīng)的動畫屬性。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,圖形對象的外觀和狀態(tài)特征,由數(shù)據(jù)對象的實(shí)時(shí)采集值驅(qū)動,從而實(shí)現(xiàn)圖形的動畫效果。

4.MCGS與PLC的連接設(shè)備窗口

MCGS與PLC的連接設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分,負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接,使得MCGS能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在MCGS組態(tài)軟件開發(fā)平臺上,單擊“設(shè)備窗口”,再單擊“設(shè)備組態(tài)”按鈕進(jìn)入設(shè)備組態(tài)。在“設(shè)備工具箱”中,選中“串口通訊父設(shè)備”和“三菱FX-232”,加到右面已選設(shè)備并分別設(shè)置兩者的屬性。

5.編制循環(huán)策略

在“運(yùn)行策略”中,雙擊“循環(huán)策略”進(jìn)入,雙擊圖標(biāo)進(jìn)入“策略屬性設(shè)置”,把“循環(huán)時(shí)間”設(shè)為100ms,按“確定”。雙擊進(jìn)入腳本程序編輯環(huán)境,程序如下:

******液位模擬程序********

if 水泵=1 then

液位1=液位1+0.5

endif

if 調(diào)節(jié)閥=1 then

液位1=液位1-0.05

液位2=液位2+0.1

endif

if 出水閥=1 then

液位2=液位2-0.03

endif

**********報(bào)警設(shè)置*********

!setalmvalue (液位1,液位1上限,3)

!setalmvalue (液位1,液位1下限,2)

!setalmvalue (液位2,液位2上限,3)

!setalmvalue (液位2,液位2下限,2)

*************水位報(bào)警設(shè)置****

if 液位1>=液位1上限then

S1=1

else

S1=0

endif

if 液位1=<液位1下限then

S2=1

else

S2=0

endif

if 液位2>=液位2上限then

S3=1

else

s3=0

endif

if 液位2=<液位2下限then

s4=1

else

s4=0

endif

**********輸入處理*******

在菜單項(xiàng)“文件”中選“進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境”或直接按“F5”或直接按工具條中圖標(biāo),都可以進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境。

利用MCGS開發(fā)的水塔水位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動畫可分為兩種:其一為演示界面,不與PLC連接,只要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊界面上相關(guān)選擇按鈕,通過編好的MCGS腳本程序控制進(jìn)水和出水,目的是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前了解控制要求和實(shí)際的運(yùn)行流程,為編制實(shí)驗(yàn)程序奠定基礎(chǔ);其二是監(jiān)控界面,使用時(shí)學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)?zāi)K上的控制按鈕,啟動自己編寫的PLC程序,根據(jù)PLC程序的執(zhí)行情況控制電機(jī)和閥門對水塔水位進(jìn)行調(diào)節(jié),可以直觀地看到自己編寫的控制程序的運(yùn)行效果是否符合控制要求。

基于組態(tài)軟件的模擬系統(tǒng)(例:機(jī)械手控制考核系統(tǒng)——如圖3所示)也可以應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的考核過程中,在實(shí)際的實(shí)訓(xùn)考核過程中能收到較好的效果,受到相關(guān)專家評委的好評。

通過實(shí)踐教學(xué),證明基于組態(tài)軟件平臺開發(fā)自動控制專業(yè)技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)是非常合適而且是切實(shí)可行的,既能降低教學(xué)成本,又能提高教學(xué)效果。組態(tài)軟件除了可應(yīng)用于PLC實(shí)訓(xùn)教學(xué)外,還可利用其特點(diǎn),將其與PLC、變頻器、觸摸屏、伺服系統(tǒng)等設(shè)備聯(lián)系起來,自由組合或者進(jìn)行綜合性教學(xué)?；诮M態(tài)軟件的可擴(kuò)展性,任課教師可以利用組態(tài)軟件組合設(shè)計(jì)適合教學(xué)要求的一體化教學(xué)系統(tǒng)。

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