可編程控制器課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革與探索

申曉寧 張衛(wèi)國(guó)

摘 要：可編程控制器（PLC）是自動(dòng)化專業(yè)一門實(shí)踐性很強(qiáng)的必修課程。該文基于昆侖工控組態(tài)軟件MCGS，探討了在上位機(jī)上模擬實(shí)現(xiàn)PLC控制對(duì)象的方法，并由此搭建了實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的課程實(shí)踐平臺(tái)。以垂直升降式立體車庫控制系統(tǒng)為例，給出了平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架、監(jiān)控畫面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)對(duì)象的建立方法、PLC與組態(tài)仿真軟件的通訊設(shè)置方法等。

關(guān)鍵詞：PLC 組態(tài)軟件 實(shí)踐平臺(tái) 立體車庫

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（c）-0118-04

可編程控制器（PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通用產(chǎn)品，它專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)[1]。“可編程控制器”課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。然而，在當(dāng)前的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在以下問題：（1）實(shí)驗(yàn)裝置上的控制對(duì)象種類較少，缺乏可擴(kuò)展性，研究局限性大。例如：該學(xué)院采用的是浙江求是科教設(shè)備有限公司開發(fā)的QSPLC系列可編程控制模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬控制對(duì)象包括噴泉、數(shù)碼顯示、舞臺(tái)燈光、交通燈、機(jī)械手、四層電梯等。當(dāng)因教學(xué)或科研需求要研究其它種類的實(shí)際控制對(duì)象時(shí)，必須重新購(gòu)買新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅成本高，而且占用較多的空間，難于維護(hù)。（2）直觀性較弱?，F(xiàn)有PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多以不同部位發(fā)光二極管的亮滅模擬被控對(duì)象的運(yùn)行，顯示不夠生動(dòng)直觀。（3）系統(tǒng)缺乏監(jiān)控界面，無法實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，不能動(dòng)態(tài)顯示對(duì)象的狀態(tài)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

組態(tài)軟件能夠快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它可以從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)、具有實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能，因此，能夠?yàn)橛脩籼峁┙鉀Q實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)。組態(tài)軟件具有操作簡(jiǎn)便、二次開發(fā)周期短、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)[2]。該文基于MCGS6.2組態(tài)軟件通用版，使用計(jì)算機(jī)模擬各類實(shí)際被控對(duì)象，通過建立PLC與計(jì)算機(jī)的通訊，搭建PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于有關(guān)PLC的實(shí)踐教學(xué)和科研工作中，能夠彌補(bǔ)上述現(xiàn)有PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，大大降低實(shí)驗(yàn)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，如果需要新增被控對(duì)象，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的軟件操作，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)友好的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，生動(dòng)直觀地顯示出對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖1可見，在計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的PLC編程軟件上編寫梯形圖，并下載入PLC。在計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件MCGS中創(chuàng)建一個(gè)模擬被控對(duì)象的工程，設(shè)置通訊接口，運(yùn)行PLC內(nèi)的梯形圖，同時(shí)進(jìn)入MCGS的運(yùn)行環(huán)境，操作監(jiān)控界面上的按鈕等圖形對(duì)象，即可實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)仿真控制。

1.2 PLC的選型

經(jīng)過多方調(diào)研，學(xué)院購(gòu)買了三菱FX2N-48MR系列PLC。它的控制單元輸入輸出點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為24個(gè)。它具有速度快、高功能的邏輯選擇與定位控制等特點(diǎn)，適用于在多個(gè)基本組件間的連接、模擬控制、定位控制等特殊用途。程序容量為內(nèi)置800步RAM（可輸入注釋），最大可擴(kuò)充至16K步。

1.3 開發(fā)軟件的選擇

PLC編程軟件使用GX Works2。它是三菱電機(jī)推出的三菱人機(jī)界面全系列編程軟件，是專用于PLC設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)的編程工具。與傳統(tǒng)的GX Developer軟件相比，GX Works2的功能更加全面，操作性能更佳，且變得更加容易實(shí)用。

組態(tài)軟件采用MCGS 6.2通用版，與其他組態(tài)軟件相比，它擁有很多特別突出的特點(diǎn)，例如：可靠性高、可視化效果好，簡(jiǎn)單易學(xué)，綜合性能比較好等，因此，在鋼鐵工業(yè)、電力工業(yè)、石油化工工業(yè)、水處理工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)成功地被應(yīng)用，經(jīng)過長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，充分體現(xiàn)了MCGS系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，效果顯著[3]。

MCGS的軟件系統(tǒng)具有兩個(gè)部分：組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。組態(tài)環(huán)境就像一套完整的工具軟件，用戶可以在此環(huán)境下對(duì)自己要實(shí)現(xiàn)的仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)自己的組態(tài)工程進(jìn)行構(gòu)建。運(yùn)行環(huán)境是根據(jù)在組態(tài)環(huán)境里設(shè)計(jì)的組態(tài)工程按用戶的要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)行，并可以直觀地看到運(yùn)行效果。組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境關(guān)系圖如圖2所示[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例

以垂直升降式立體車庫PLC控制系統(tǒng)為例，介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下。

（1）分析控制要求及功能要求。該垂直升降式立體車庫提供存車、取車兩種功能。其中，存車控制流程圖如圖3所示，取車過程與圖3存車過程相反，此處略寫。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)中的I/O端口點(diǎn)數(shù)確定I/O設(shè)備；并合理分配I/O點(diǎn)。該系統(tǒng)確定輸入端口有22個(gè)，輸出端口有18個(gè)。

（3）在GX Works2中設(shè)計(jì)梯形圖程序。

（4）進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境新建工程。

（5）設(shè)計(jì)登錄歡迎界面。

（6）創(chuàng)建垂直升降式立體車庫的組態(tài)畫面，如圖4所示。添加所需元件并設(shè)置其相應(yīng)的屬性，包括動(dòng)畫屬性、按鈕動(dòng)作屬性等。設(shè)置元件屬性要注意前后的邏輯關(guān)系，有些運(yùn)動(dòng)控制變量是重復(fù)的，需要加一些輔助繼電器作為中間變量以區(qū)分重復(fù)過程。

（7）在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)對(duì)象，如圖5所示。步驟（6）實(shí)現(xiàn)的只是一個(gè)靜態(tài)界面，需要通過在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)對(duì)象，以顯示各元件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在設(shè)置屬性時(shí)，可以定義動(dòng)作類型，并設(shè)置它的參數(shù)。需要注意的是，監(jiān)控畫面中的每一個(gè)元件都要設(shè)置相應(yīng)的連接對(duì)象，且保存在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。

（8）設(shè)置PLC與MCGS組態(tài)界面的通訊連接。首先在設(shè)備窗口選中設(shè)備組態(tài)，雙擊進(jìn)入，右擊選中設(shè)備工具箱，點(diǎn)擊設(shè)備管理，進(jìn)入可選設(shè)備列表。分別添加通用串口父設(shè)備和三菱FX系列編程口，并設(shè)置設(shè)備屬性。注意選擇FX2N—CPU，設(shè)備地址為2。將組態(tài)畫面的元件與實(shí)際的輸入輸出口通訊連接起來，圖6給出了部分通道設(shè)置的示意圖。

（9）進(jìn)入MCGS的運(yùn)行環(huán)境。

（10）進(jìn)行模擬仿真，檢查程序的正確性，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試。將在GX Works2中編寫好的梯形圖導(dǎo)入PLC，并將與組態(tài)MCGS的通訊連接起來。PLC的運(yùn)行結(jié)果通過組態(tài)畫面實(shí)時(shí)顯示出來，用戶可根據(jù)動(dòng)畫的當(dāng)前狀態(tài)反復(fù)調(diào)試梯形圖中存在的錯(cuò)誤和問題，直到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所有的控制要求為止。

除了立體車庫以外，還設(shè)計(jì)開發(fā)了基于PLC控制的自助洗車房、投幣式自動(dòng)洗衣機(jī)、五層電梯、電子密碼鎖、常壓式農(nóng)藥灌裝生產(chǎn)線等多種MCGS監(jiān)控系統(tǒng)。該P(yáng)LC實(shí)驗(yàn)方法通用性強(qiáng)，省時(shí)省力。對(duì)于同一被控對(duì)象，如果控制要求發(fā)生改變，只需相應(yīng)地修改梯形圖；對(duì)于新的被控對(duì)象，只需在組態(tài)軟件上設(shè)計(jì)組態(tài)動(dòng)畫，并編寫相應(yīng)的梯形圖，大大降低了控制系統(tǒng)調(diào)試的成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率和安全性，且系統(tǒng)后期的維護(hù)代價(jià)也很低。此外，動(dòng)畫顯示的方式生動(dòng)直觀，系統(tǒng)的硬件連線很少，與傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比，組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能夠取得更好的仿真效果，實(shí)用性更強(qiáng)。

3 結(jié)語

PLC課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革已經(jīng)1年，從對(duì)學(xué)生的調(diào)研和反饋可以看出，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作簡(jiǎn)便，學(xué)生很容易上手，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的表現(xiàn)形式生動(dòng)靈活，學(xué)習(xí)效果好，能夠有效地提高學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)和獨(dú)立分析、解決問題的能力。另一方面，從教師教學(xué)角度來看，通過組態(tài)軟件模擬被控對(duì)象，能夠極大地豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，減少系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)成本，對(duì)教師傳授理論課程也起到了促進(jìn)作用。此外，還可以將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)或課外科研項(xiàng)目的課題，做出的成果經(jīng)過完善后可以直接應(yīng)用于PLC的課堂實(shí)踐教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)

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[3] 吳作明.工控組態(tài)軟件與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.