雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 潔，馬鳳銘

(鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 鞍山 114007)

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雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 潔，馬鳳銘

(鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 鞍山 114007)

在傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)基礎(chǔ)上，引入觸摸屏和組態(tài)軟件，構(gòu)建了基于計(jì)算機(jī)和觸摸屏的雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái).該平臺(tái)可同時(shí)進(jìn)行PLC的編程、調(diào)試、運(yùn)行監(jiān)控，并將被控對(duì)象的動(dòng)作以動(dòng)畫的形式顯示，可幫助學(xué)生深入理解PLC及被控對(duì)象的工作過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué);觸摸屏；組態(tài)軟件；雙屏式

可編程序控制器(Programmmabale Logic Controller)簡稱PLC，它具有可靠性高、功能強(qiáng)大、成本低、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1].PLC原理及應(yīng)用是我國各大專院校電氣類及相關(guān)專業(yè)的必修課程.

PLC是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，涉及到工業(yè)現(xiàn)場電氣控制、PLC編程和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)等較多的內(nèi)容[2,3].PLC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)做為理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)一直很受重視.本文在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，引入觸摸屏和組態(tài)軟件，構(gòu)建了基于計(jì)算機(jī)和觸摸屏的雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，計(jì)算機(jī)可進(jìn)行PLC的編程、調(diào)試、運(yùn)行監(jiān)控，借助觸摸屏和組態(tài)軟件，虛擬被控對(duì)象，被控對(duì)象的動(dòng)作以動(dòng)畫的形式顯示，使得PLC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更生動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生更深入地理解PLC應(yīng)用系統(tǒng)的工作過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用PLC技術(shù)打下良好的基礎(chǔ).

1 PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前大專院校大多數(shù)采用PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱進(jìn)行PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并配有計(jì)算機(jī)作為編程平臺(tái).PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱本身集合了多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其主要采用發(fā)光二極管和直流電機(jī)模擬被控對(duì)象的工作狀態(tài)，用按鈕和開關(guān)替代被控對(duì)象的反饋狀態(tài)，等等.

這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式主要存在2個(gè)問題：一是不能直觀地展示PLC控制對(duì)象的工作過程，學(xué)生無法體會(huì)到實(shí)際應(yīng)用的情景，使部分學(xué)生逐漸失去了學(xué)習(xí)興趣；二是受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是比較側(cè)重于程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，使得學(xué)生難以真正地理解PLC完整控制系統(tǒng)的工作過程[4].

1.2 基于組態(tài)軟件的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)

組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集和過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境.將組態(tài)軟件技術(shù)應(yīng)用于PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用組態(tài)軟件仿真PLC控制對(duì)象的工作過程[5].通過計(jì)算機(jī)的顯示屏動(dòng)畫顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)的過程，可使實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有直觀性、靈活性和參與性[6].

目前基于組態(tài)技術(shù)的PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有以下幾種方式：

單純演示式實(shí)驗(yàn)：仿真實(shí)驗(yàn)過程的組態(tài)軟件事先已經(jīng)編寫好，實(shí)驗(yàn)者可以通過計(jì)算機(jī)的顯示屏，直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)的模擬過程，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，但無參與感.

完全虛擬式仿真實(shí)驗(yàn)[7]：在無PLC硬件條件下，PLC仿真軟件虛擬實(shí)際的PLC，組態(tài)軟件模擬實(shí)際的控制對(duì)象，在一定程度上滿足了學(xué)生自我學(xué)習(xí)PLC的要求，但與真實(shí)的PLC有距離感.

全程參與式實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)者首先分析實(shí)驗(yàn)過程及控制要求，確定PLC與組態(tài)平臺(tái)各自的任務(wù)，然后分別進(jìn)行PLC控制程序的設(shè)計(jì)，以及組態(tài)平臺(tái)方面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、窗口建立、動(dòng)畫制作、設(shè)備組態(tài)等[8].這種方式要求實(shí)驗(yàn)者既要有PLC技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，又要有組態(tài)軟件的有關(guān)知識(shí)，這對(duì)初學(xué)者增加了學(xué)習(xí)難度，因此，不適于PLC的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué).

2 雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 配置方案

圖1 雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成

雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由以CPU224XP為核心的S7-200PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)(或?qū)嶒?yàn)箱)、計(jì)算機(jī)以及昆侖TPC1062KX觸摸屏組成，參見圖1.

計(jì)算機(jī)通過PC/PPI編程電纜與PLC的PPI通信接口(PORT0)連接.計(jì)算機(jī)運(yùn)行S7-200PLC的編程軟件STEP 7-Micro/WIN，為實(shí)驗(yàn)者提供編輯、調(diào)試、監(jiān)控實(shí)驗(yàn)程序的良好編程環(huán)境.

昆侖TPC1062KX觸摸屏通過串口COM2與PLC的RS485通信接口(PORT1)相連.昆侖觸摸屏直接運(yùn)行配套的仿真實(shí)驗(yàn)組態(tài)軟件，模擬被控對(duì)象的工作環(huán)境.

觸摸屏和計(jì)算機(jī)顯示屏為實(shí)驗(yàn)者同時(shí)提供2種不同方式的監(jiān)控界面，這既有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)PLC的興趣，又有利于學(xué)生對(duì)PLC專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí).

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)軟件工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)軟件工作平臺(tái)由觸摸屏的仿真實(shí)驗(yàn)組態(tài)軟件和PLC中雙屏轉(zhuǎn)接橋指令庫構(gòu)成[9].

觸摸屏的仿真實(shí)驗(yàn)組態(tài)軟件是為學(xué)生設(shè)計(jì)的完整監(jiān)控軟件，實(shí)驗(yàn)者在進(jìn)行PLC實(shí)驗(yàn)時(shí)，根本不需具備和學(xué)習(xí)組態(tài)軟件有關(guān)方面的知識(shí)，就可以進(jìn)行PLC知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐.

圖2 設(shè)備組態(tài)

觸摸屏的仿真實(shí)驗(yàn)組態(tài)軟件采用MCGS嵌入式組態(tài)軟件[10～12]進(jìn)行設(shè)計(jì)，其監(jiān)控界面在實(shí)時(shí)展示被控對(duì)象的工作過程和狀態(tài)的同時(shí)，設(shè)有控制點(diǎn)提示，方便實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行PLC控制程序的編寫.S7-200PLC設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件掛在“通用串口父設(shè)備”下，如圖2所示，保證組態(tài)軟件與PLC之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞，保證監(jiān)控界面的實(shí)時(shí)性.

圖3 雙屏轉(zhuǎn)接橋指令庫

雙屏轉(zhuǎn)接橋指令庫是為保證PLC實(shí)驗(yàn)過程中兼容組態(tài)監(jiān)控界面的操作而設(shè)計(jì)的.雙屏轉(zhuǎn)接橋指令庫采用S7-200PLC編程語言編寫，并添加到STEP 7-Micro/WIN編程軟件的指令樹中，如圖3所示.實(shí)驗(yàn)者在進(jìn)行編寫PLC控制程序時(shí)，只需在開始處直接調(diào)用相應(yīng)的雙屏轉(zhuǎn)接橋庫指令即可.

3 雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)集成了交通燈、混合液體裝置控制、電梯控制等多項(xiàng)PLC實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以滿足PLC教學(xué)的需要.這里以兩種液體混合裝置自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，具體展示雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的使用過程.

3.1 分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的控制要求

混合液體裝置控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[13]要求A、B兩種液體分別流入混合裝置中，混合后液體流出.其中，液位傳感器BG1、BG2、BG3分別感測混合裝置中液位高度，液體流入流出分別由電磁閥MB1、MB2、MB3控制，MA為攪拌電動(dòng)機(jī).

圖4是傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)(DICE-PLC型可編程控制器實(shí)驗(yàn)臺(tái))對(duì)液體混合裝置的模擬部分，其中，用2個(gè)綠色發(fā)光二極管分別表示控制液體A、B流入的電磁閥MB1和MB2狀態(tài)；用1個(gè)紅色發(fā)光二極管表示控制混合液體流出的電磁閥MB3狀態(tài)；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)代表攪拌器工作.圖5是雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中觸摸屏顯示的組態(tài)監(jiān)控界面.在組態(tài)監(jiān)控界面上既有實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作過程的動(dòng)畫顯示，又有檢測點(diǎn)、控制點(diǎn)以及控制參數(shù)的標(biāo)注，同時(shí)提示對(duì)應(yīng)單元的地址.

圖4 液體混合裝置傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

實(shí)驗(yàn)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，參考實(shí)驗(yàn)的組態(tài)監(jiān)控界面(圖5)，很容易對(duì)被控設(shè)備的工作過程進(jìn)行理解，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制要求的分析，明確控制任務(wù).

3.2 PLC的I/O地址分配

實(shí)驗(yàn)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求、現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件以及圖5所給出的I/O控制點(diǎn)提示，列出I/O地址分配表，如表1所示.

3.3 PLC的I/O端子實(shí)驗(yàn)接線圖設(shè)計(jì)及連接

這部分與傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式類似，也就是說，實(shí)驗(yàn)者根據(jù)控制要求和I/O地址分配表，設(shè)計(jì)I/O端子實(shí)驗(yàn)接線圖(略)，并在PLC傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)相關(guān)部分(參見圖4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)線路連接，另用3個(gè)開關(guān)分別替代3個(gè)液位傳感器(BG1-BG3)的感測結(jié)果.

圖5 組態(tài)監(jiān)控界面

圖6 雙屏轉(zhuǎn)接橋庫指令的調(diào)用

3.4 編寫PLC控制程序

在STEP 7-Micro/WIN編程平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程要求和組態(tài)監(jiān)控界面(圖5)的提示編寫相應(yīng)實(shí)驗(yàn)程序.為使雙屏(計(jì)算機(jī)顯示屏和觸摸屏)能同時(shí)監(jiān)控被控設(shè)備的工作過程，在PLC程序開始處(主程序網(wǎng)絡(luò)1)直接調(diào)用雙屏轉(zhuǎn)接橋庫指令-ZJ10，如圖6所示，其后按實(shí)驗(yàn)要求繼續(xù)編寫用戶程序即可.

編輯完成的程序(略)通過PC/PPI編程電纜下載到PLC主機(jī)中，并運(yùn)行.

3.5 雙屏監(jiān)控與調(diào)試

圖7 編程平臺(tái)程序狀態(tài)監(jiān)控圖

TPC1062KX觸摸屏和計(jì)算機(jī)顯示屏同時(shí)以不同形式顯示液體混合裝置自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的監(jiān)控界面.

觸摸屏呈現(xiàn)的組態(tài)監(jiān)控界面(圖5)，實(shí)時(shí)直觀地展現(xiàn)了PLC控制對(duì)象的工作狀況，實(shí)驗(yàn)者可直接從這個(gè)動(dòng)畫展示了解實(shí)驗(yàn)過程，從而判斷PLC控制程序的正確與否，同時(shí)，STEP 7-Micro/WIN編程軟件在計(jì)算機(jī)顯示屏上提供的程序狀態(tài)監(jiān)控界面(圖7)和狀態(tài)表監(jiān)控界面(圖8)，為PLC程序的調(diào)試與修改提供了更專業(yè)化、更具體的操作平臺(tái).

4 結(jié)束語

雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在保留傳統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)方式的基礎(chǔ)上，增加了仿真被控對(duì)象工作環(huán)境的觸摸屏顯示，使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程有個(gè)比較直觀和整體的了解，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)PLC的興趣.

圖8 編程平臺(tái)狀態(tài)表監(jiān)控圖

另外，根據(jù)PLC教學(xué)的需要，在不增加任何硬件成本的前提下，雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)很容易增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而有利于PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要.

雙屏式PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)既有利于學(xué)生對(duì)被控對(duì)象工作過程和PLC完整控制系統(tǒng)的理解，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)思路和范圍，又為學(xué)生對(duì)PLC控制系統(tǒng)監(jiān)控層組態(tài)軟件的學(xué)習(xí)提供了良好的認(rèn)知平臺(tái).

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(責(zé)任編輯：陳 欣)

Design and implementation of double screened PLC experiment teaching platform

ZHANG Jie，MA Fengming

(School of Physical Science and Technology,Anshan Normal University,Anshan Liaoning 114007,China)

On basis of the traditional way,double screened PLC experiment teaching platform were constituted with touch screen and configuration software,on which programming,debugging and running monitoring could be completed.The reaction of controlled subject could be demonstrated simultaneously in cartoon.It could interest students and help them understand the running process of PLC and the controlled subject.

PLC experiment teaching；touch screen；configuration software；double screened

2016-06-01

張潔(1962-)，女,滿族，遼寧海城人，鞍山師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士.

G482

A

1008-2441(2016)04-0010-04