虛實(shí)結(jié)合的大型設(shè)備PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

邢 玲，徐健寧，董增文2，

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.清華大學(xué) 自動(dòng)化系，北京 100084；3.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

可編程序控制器（PLC）課程是高校機(jī)電和自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)能幫助學(xué)生理解課程基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)［1－3］。但受實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地的限制，該課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制對(duì)象主要采用小型設(shè)備，所以學(xué)生對(duì)小型設(shè)備的PLC控制方法有動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，容易得到知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累。但是大型設(shè)備的PLC控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室很難開出［4］；即使開出，也一般限于演示實(shí)驗(yàn)［5］，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不理想［5］。為此，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的大型設(shè)備PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并以電梯PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，闡述PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)方法、過程與要點(diǎn)。

1 高校的大型設(shè)備PLC實(shí)驗(yàn)分析

很多大型設(shè)備是機(jī)電一體化設(shè)備，是PLC課程理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。學(xué)生能通過大型設(shè)備的PLC控制實(shí)驗(yàn)，積累大型設(shè)備控制的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前，高校構(gòu)建PLC控制的大型設(shè)備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常采用兩種模式［6］。

（1）傳統(tǒng)的大型設(shè)備PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由PLC、接口電路和大型設(shè)備機(jī)械本體搭建而成，形象直觀，貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。但大型設(shè)備的真實(shí)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)一般高校實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，體積過大，成本過高，安全不好保證，更難以保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的生均臺(tái)套數(shù)，故此常限于認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)。

（2）大型設(shè)備PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建模式是在PC機(jī)上采用不同軟件模擬PLC程序運(yùn)行和大型設(shè)備真實(shí)本體動(dòng)作，通過虛擬PLC和虛擬大型設(shè)備模型之間的通信，模擬PLC控制大型設(shè)備的過程。由于整個(gè)系統(tǒng)完全虛擬，實(shí)驗(yàn)成本極低，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和時(shí)間也不受限制［7］，非常有利于學(xué)生課后練習(xí)。但是，由于該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ經(jīng)]有真實(shí)PLC的動(dòng)作，學(xué)生難以直觀地認(rèn)識(shí)PLC的運(yùn)行原理、I/O過程。這偏離PLC教學(xué)本意，實(shí)驗(yàn)效果也難如人意。

可以看出，以上兩種模式既有自身的優(yōu)點(diǎn)，也有難以克服的缺點(diǎn)。因此，可以集上述兩種模式的優(yōu)點(diǎn)，采用虛實(shí)結(jié)合的方式構(gòu)建PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即上位機(jī)虛擬大型設(shè)備運(yùn)行，通過與下位機(jī)（真實(shí)的PLC）的通信，構(gòu)建出形象直觀、貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大型設(shè)備PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)性、交互性和開放性［8］。

上位機(jī)軟件虛擬大型設(shè)備運(yùn)行的方法通常有兩種：一是基于VC、VB等軟件的圖形庫(kù)開發(fā)，但開發(fā)周期長(zhǎng)、工作量大；二是基于組態(tài)王、WINCC等成熟組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，這類軟件面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，功能強(qiáng)大、動(dòng)畫美觀、交互友好、使用方便、開發(fā)周期短且很接近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果。第二種方法在高校實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中優(yōu)勢(shì)明顯，所以在過程控制實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)、智能交通實(shí)驗(yàn)、智能樓宇系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試實(shí)驗(yàn)等方面均有廣泛應(yīng)用［9－15］。

筆者總結(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，采用上述虛實(shí)結(jié)合的思路，設(shè)計(jì)和開發(fā)出一套基于組態(tài)王軟件的虛擬大型設(shè)備（電梯）PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)架及原理

真實(shí)的電梯系統(tǒng)常采用如圖1的構(gòu)架方式。下位機(jī)PLC作為電梯主控制器，實(shí)現(xiàn)曳引機(jī)控制，轎廂、門廳、故障等信號(hào)的掃描以及與上位機(jī)的通信；而上位機(jī)則進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控。

圖1 真實(shí)電梯系統(tǒng)構(gòu)架

虛實(shí)結(jié)合的PLC電梯實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，組態(tài)王仿真畫面代替電梯機(jī)械本體，既要模擬出電梯的轎箱位置信號(hào)、呼梯信號(hào)、門機(jī)信號(hào)、故障信號(hào)等電梯輸入信號(hào)，還要通過與下位機(jī)PLC的通信，根據(jù)PLC的邏輯輸出，采用動(dòng)畫形式模擬出電梯的運(yùn)行過程。下位機(jī)PLC運(yùn)行真實(shí)電梯控制程序，由一系列真實(shí)按鍵模擬電梯系統(tǒng)的門廳呼叫、轎廂呼叫以及超限等報(bào)警信號(hào)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化的硬件構(gòu)架如圖2

圖2 虛實(shí)結(jié)合的電梯PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師給出系統(tǒng)定義的組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典，即虛擬電梯畫面與真實(shí)PLC的接口I/O點(diǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表，學(xué)生就可以根據(jù)數(shù)據(jù)詞典練習(xí)編寫下位機(jī)的PLC控制程序。編寫的控制程序正確與否，可以根據(jù)上位機(jī)組態(tài)畫面的運(yùn)行和PLC真實(shí)I/O狀況進(jìn)行檢驗(yàn)；如果程序不完善，可進(jìn)一步改進(jìn)PLC程序。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一致。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

虛實(shí)結(jié)合的電梯PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬一臺(tái)5層電梯的運(yùn)行，上、下位機(jī)采用RS232串口通信，下位機(jī)PLC主控制器選用歐姆龍公司C系列的CQM1H型可編程序控制器，上位機(jī)組態(tài)軟件采用組態(tài)王King－View 6.51。系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作主要包括上位機(jī)電梯組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)、上位機(jī)虛擬電梯和下位機(jī)I/O點(diǎn)接口定義、下位機(jī)Demo程序的開發(fā)和調(diào)試等，設(shè)計(jì)開發(fā)工作交互進(jìn)行。

3.1 上位機(jī)軟件開發(fā)

組態(tài)王提供了資源管理器式的操作主界面，該軟件簡(jiǎn)潔易用、動(dòng)畫形象逼真，腳本語(yǔ)言支持漢字作為關(guān)鍵字且接近自然語(yǔ)言，提供了多種硬件驅(qū)動(dòng)程序，功能甚為強(qiáng)大。

上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)開發(fā)過程包括虛擬電梯畫面設(shè)計(jì)制作、組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典定義、虛擬電梯動(dòng)畫腳本程序編寫等過程。進(jìn)行虛擬電梯畫面設(shè)計(jì)制作時(shí)，首先分析真實(shí)電梯系統(tǒng)的功能，可根據(jù)電梯的功能樹，設(shè)計(jì)出虛擬電梯實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組態(tài)畫面的框架（見圖3）。

電梯模擬畫面即為電梯運(yùn)行動(dòng)畫和操作的組態(tài)畫面，它可以采用動(dòng)畫和指示燈的方式模擬各I/O點(diǎn)輸入輸出效果。為使系統(tǒng)能與真實(shí)電梯本體連接，從而監(jiān)控真實(shí)電梯的運(yùn)行，組態(tài)功能中還設(shè)計(jì)了報(bào)表畫面和索引畫面?？紤]到系統(tǒng)的完整性，友好的主界面和退出畫面可以使系統(tǒng)的人機(jī)交互性更好。

圖3 上位機(jī)虛擬仿真電梯的功能組成

設(shè)計(jì)好組態(tài)畫面的架構(gòu)后，便可按部就班設(shè)計(jì)制作上位機(jī)虛擬電梯的組態(tài)畫面了。本系統(tǒng)的虛擬電梯組態(tài)畫面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)虛擬仿真電梯

畫面制作完成后，便可以定義數(shù)據(jù)詞典。由于數(shù)據(jù)詞典是PLC與虛擬電梯組態(tài)畫面及畫面腳本程序的連接紐帶，定義時(shí)必須與表1中PLC的I/O點(diǎn)的分配一致。部分?jǐn)?shù)據(jù)詞典定義見表1。

表1 部分?jǐn)?shù)據(jù)詞典定義示例

在制作完成組態(tài)畫面和數(shù)據(jù)詞典的基礎(chǔ)上，再根據(jù)電梯的真實(shí)動(dòng)作來(lái)編寫畫面的腳本程序，以求得到逼真的動(dòng)畫效果。編寫組態(tài)王的畫面腳本程序非常方便，其語(yǔ)言很接近自然語(yǔ)言。例如控制電梯開門和關(guān)門的動(dòng)畫腳本程序如下：

3.2 下位機(jī)I/O分配與Demo程序設(shè)計(jì)

歐姆龍CQM1H型PLC是一款模塊化的小型PLC系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、易于用戶掌握，能滿足中等性能要求的應(yīng)用，有較高的性價(jià)比，是國(guó)內(nèi)很多高校PLC課程所選的學(xué)習(xí)機(jī)型，所以非常適合用于本系統(tǒng)。

由于使用上位機(jī)虛擬電梯的畫面觸點(diǎn)模擬PLC的輸入信號(hào)，故設(shè)計(jì)PLC程序的I/O點(diǎn)時(shí)，輸入點(diǎn)應(yīng)采用內(nèi)部變量模擬，而不能采用真實(shí)的PLC的輸入點(diǎn)（因?yàn)檎鎸?shí)PLC輸入點(diǎn)的值只有通過真實(shí)的機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)才能改變）。輸出點(diǎn)分配則可以采用PLC真實(shí)的輸出點(diǎn)。

表2所給出的部分PLC的I/O點(diǎn)分配形式完全體現(xiàn)了上述特點(diǎn)。

表2 系統(tǒng)定義的部分PLC程序I/O點(diǎn)

表2 （續(xù)）

這些系統(tǒng)分配的I/O點(diǎn)也是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)編程時(shí)，需要向?qū)W生開放和規(guī)定的接口。

開發(fā)PLC的Demo程序時(shí)，采用的接口也必須與上述分配的I/O點(diǎn)一致。比如虛擬電梯系統(tǒng)開門和關(guān)門控制程序如圖5所示：

圖5 開門和關(guān)門PLC程序

119.03 和119.04分別是開門繼電器和關(guān)門繼電器，只有當(dāng)電梯不運(yùn)動(dòng)的時(shí)候才能執(zhí)行開關(guān)門的指令，所以要對(duì)100.00和100.01的狀態(tài)進(jìn)行判斷。100.00和100.01分別是曳引電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，也就是判斷電梯有無(wú)上下行。當(dāng)119.03置位且119.04復(fù)位說(shuō)明電梯處于開門狀態(tài)，就調(diào)用電梯開門子程序段004；當(dāng)119.03復(fù)位且119.04置位就說(shuō)明電梯正處于關(guān)門狀態(tài)，就調(diào)用電梯關(guān)門子程序段005。

3.3 系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試

以上程序設(shè)計(jì)完成后，連接上、下位機(jī)，即可進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，測(cè)試并改善畫面的動(dòng)畫效果。經(jīng)筆者測(cè)試、調(diào)試和實(shí)際運(yùn)行，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行良好，動(dòng)畫逼真流暢。系統(tǒng)中電梯上、下行及開關(guān)門采用動(dòng)畫顯示，紅綠指示燈模擬開關(guān)量的狀態(tài)，而上、下行標(biāo)志采用箭頭指示。虛擬電梯動(dòng)畫效果非常接近于真實(shí)的電梯運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)開發(fā)的虛實(shí)結(jié)合的大型設(shè)備PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過2年的教學(xué)實(shí)踐運(yùn)行和檢驗(yàn)，表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作接近真實(shí)的大型設(shè)備的操作，上位機(jī)虛擬大型設(shè)備的動(dòng)畫形象直觀、組態(tài)界面友好、操作簡(jiǎn)單，下位機(jī)PLC編程與實(shí)際應(yīng)用一致。（2）實(shí)驗(yàn)安全、成本低，容易保證臺(tái)套數(shù)，大大提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，實(shí)驗(yàn)效果良好。（3）對(duì)于其他需要大型機(jī)電設(shè)備的PLC實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)校無(wú)法開出；而參照本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的思路，開發(fā)類似實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣能彌補(bǔ)學(xué)生認(rèn)識(shí)、知識(shí)的不足，加強(qiáng)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)。（4）只要帶上PLC和接口板，結(jié)合現(xiàn)代課堂常用的多媒體技術(shù)，很容易做到實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂，大大提高PLC課程教學(xué)質(zhì)量。

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