基于組態(tài)技術(shù)的PLC仿真實驗教學(xué)平臺

郭金梅， 趙立萍， 周美蘭

(1.哈爾濱遠東理工學(xué)院 機電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150025 2.哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150080 )

0　引言

可編程控制器，簡稱PLC (Programmable logic Controller)，是自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)三者結(jié)合的高科技產(chǎn)品，它應(yīng)用可編程序的存儲器在其內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)并執(zhí)行操作指令，控制機械及其運行過程[1]。

PLC自1969年問世以來，就獲得了廣泛關(guān)注與應(yīng)用，而讓學(xué)生學(xué)習(xí)PLC技術(shù)并熟練掌握這門技術(shù)業(yè)已成為各高校開展PLC教學(xué)的首要任務(wù)。以往在對真實被控對象進行研究實驗時，往往由于工控設(shè)備質(zhì)量大、體積大、價格高和難維護等問題很難在實驗室中配備，即使實驗室配置了某些相對簡單的設(shè)備，也因其易損壞、種類少而不能充分滿足為學(xué)生開設(shè)實驗課的需要。

本文提出了PLC技術(shù)與組態(tài)監(jiān)控軟件設(shè)計相結(jié)合的方法，利用組態(tài)軟件模擬PLC的控制對象，通過計算機可以實時觀測控制過程。應(yīng)用此方法設(shè)計的實驗教學(xué)平臺投入到實驗教學(xué)中，可以用有限的設(shè)備資源結(jié)合靈活多變的程序和組態(tài)樣機實現(xiàn)PLC實驗教學(xué)，從而豐富教學(xué)內(nèi)容增強實驗教學(xué)效果，為學(xué)生學(xué)習(xí)PLC技術(shù)提供了便利[2]。

1　實驗分析及實驗系統(tǒng)組成

1.1　組態(tài)軟件和PLC實驗教學(xué)

組態(tài)軟件是一種能進行數(shù)據(jù)采集和過程控制的軟件，它在自動化體系中以靈活多變的方式提供監(jiān)控環(huán)境與開發(fā)條件[3，4]。組態(tài)軟件通過計算機可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和監(jiān)測控制功能。在進行組態(tài)虛擬樣機設(shè)計時，除了可以采用軟件中自帶圖庫，也可以應(yīng)用本地圖片和網(wǎng)站上的圖片，利用位圖功能加入到設(shè)計界面中，使被控的虛擬對象更加形象生動。

在PLC的實驗教學(xué)中，由組態(tài)軟件模擬PLC的控制對象，用PLC對其進行控制，通過觀察計算機屏幕上的動畫顯示，直觀地監(jiān)測PLC程序的執(zhí)行過程和運行結(jié)果[5-7]。

1.2　虛擬仿真實驗系統(tǒng)的組成

虛擬仿真實驗是根據(jù)系統(tǒng)運行的實際情況，在組態(tài)軟件中編制組態(tài)樣機，建立數(shù)據(jù)庫并定義組態(tài)變量，之后將程序編輯控制器中編譯成功的程序下載至PLC，連接PLC與組態(tài)軟件進行通信實現(xiàn)控制，借助計算機屏幕上的動態(tài)畫面來觀察監(jiān)測控制過程，檢驗PLC的控制結(jié)果的正確與否[8-10]。

本文實例采用的組態(tài)軟件是力控7.0，采用松下FP0R系列的PLC，通過USB接口將其與計算機連接通訊。組態(tài)虛擬仿真實驗的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。虛擬仿真實驗流程圖如圖2所示。

圖1　仿真實驗的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　實驗教學(xué)平臺及實例

2.1　實驗教學(xué)平臺及其演示實驗內(nèi)容

依據(jù)上述方法，本文提出了一套基于虛擬仿真技術(shù)的PLC實驗教學(xué)平臺，該平臺包括六個演示實驗。六個演示實驗內(nèi)容如下：

1)十字路口交通指揮燈組態(tài)仿真實驗

圖2　虛擬仿真實驗流程圖

此實驗包括橫向控制燈和縱向控制燈各兩組，每組有紅、綠、黃三種顏色燈。橫向紅燈和縱向綠燈同時亮滅，橫向綠燈和縱向紅燈同時亮滅，兩個方向的黃燈同時亮滅。按下開始按鈕后，橫向紅燈亮20 s，然后黃燈亮3 s，接著綠燈亮20 s。在進行上述過程的同時，縱向進行相反的控制過程。按下停止按鈕，系統(tǒng)控制程序停止。

2)運料小車PLC控制組態(tài)仿真實驗

此實驗是PLC控制一臺小車實現(xiàn)兩個工作臺之間運送貨物的過程，當(dāng)按下開始按鈕時，小車左行至最左端，左端行程開關(guān)變?yōu)榧t色，等待裝貨，3秒后小車右行，直至最右端碰到行程開關(guān)，行程開關(guān)變?yōu)榧t色，等待卸貨，3秒之后小車重新左行，不斷重復(fù)之前過程，直到按下停止按鈕為止。小車停止時，當(dāng)按下手動后退按鈕，小車左行至最左端，當(dāng)按下手動前進按鈕時，小車右行至最右端。組態(tài)仿真界面有指示箭頭顯示小車左行或右行狀態(tài)。

3)紅酒酒瓶裝箱組態(tài)仿真實驗

此實驗是利用PLC來控制紅酒酒瓶裝箱的自動生產(chǎn)線，系統(tǒng)利用一只機械手來完成整個裝箱過程，開始時裝滿紅酒的瓶子一個接一個不斷地進入裝箱生產(chǎn)線，當(dāng)計數(shù)器計滿12瓶后開始裝箱動作，一次裝箱完成后，機械手復(fù)位，重新進行下一次裝箱動作。

4)溶液混合PLC控制仿真實驗

系統(tǒng)由1個溶液混合罐、3個電磁閥、3個位置開關(guān)和1個攪拌葉輪組成。當(dāng)按下“開始”按鈕后，先打開1號溶液的電磁閥A，在溶液混合罐內(nèi)放入1號溶液，液面到達“中位置開關(guān)”，此時關(guān)閉電磁閥A，打開電磁閥B，放入2號液體，液面到達“上位置開關(guān)”，關(guān)閉電磁閥B。葉輪開始旋轉(zhuǎn)攪拌液體5 s，然后葉輪停止，打開“排放電磁閥”，將混合罐內(nèi)的液體排出，直到液面達到“下位置開關(guān)”為止，然后重復(fù)上述過程。在任何時候，按下“停止”按鈕，系統(tǒng)自動停止，再按下“開始”按鈕，系統(tǒng)接著原來的工作繼續(xù)進行。

5)一維位置控制組態(tài)仿真實驗

此實驗系統(tǒng)的主要控制對象是航吊，開始之前，航吊位于最左端，當(dāng)按下“開始”按鈕后，航吊運載一臺電動機從左端到右端后放下此臺電動機，航吊返回重新運載另一臺電動機，當(dāng)按下“停止”按鈕，系統(tǒng)停止運行，再按下“開始”按鈕，接著原來工作繼續(xù)執(zhí)行下一臺電動機航吊。

6)霓虹燈PLC控制組態(tài)仿真實驗

此實驗是用PLC控制8個字符的霓虹燈的閃爍過程，按下“閃爍”按鈕后，“中”、“國”、“共”“產(chǎn)”、“黨”、“萬”、“歲”、“！”依次點亮，全部點亮2 s后，八個字符同時進行閃爍3次，持續(xù)亮3 s，之后按之前的程序循環(huán)進行，按下停止按鈕后，程序停止工作，霓虹燈立即全部熄滅。

2.2　虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計實例

此節(jié)以十字路口交通指揮燈和運料小車仿真實驗為例，介紹該虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計過程。

1)虛擬仿真系統(tǒng)的組成

本虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用計算機作為上位機，采用松下的可編程控制器FP0R-C24作為下位機。組態(tài)軟件Force Control 7.0和PLC程序編輯器FPWIN-GR都安裝在計算機中，在Force Control 7.0中編制組態(tài)樣機，建立數(shù)據(jù)庫并定義組態(tài)變量，之后將FPWIN-GR中編譯好的程序下載至PLC中，將PLC與組態(tài)軟件通過USB接口連接進行通信，實現(xiàn)PLC控制組態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)的調(diào)試和運行[11]。

2)十字路口交通指揮燈仿真實驗

(1)PLC程序設(shè)計—在編寫PLC程序之前要分配PLC的I/O點，并確定上、下位機的接口。十字路口交通指揮燈控制實驗的I/O分配分別如表1所示。

表1十字路口交通指揮燈控制I/O分配表

十字路口交通燈控制的數(shù)據(jù)庫變量如表2所示，其梯形圖如圖3所示。

表2　交通燈數(shù)據(jù)庫變量表

圖3　十字路口交通指揮燈梯形圖

(2)仿真界面的制作—仿真界面的制作包括背景設(shè)計、指揮臺的設(shè)計、紅綠燈的設(shè)計、車輛的設(shè)計以及控制按鈕的設(shè)計。圖4為所設(shè)計的十字路口交通指揮燈PLC控制虛擬仿真系統(tǒng)界面圖。

3)運料小車仿真實驗

依據(jù)上述虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計步驟，對運料小車PLC控制仿真實驗進行了設(shè)計，圖5為運料小車的組態(tài)仿真界面。

圖4　十字路口交通指揮燈組態(tài)仿真界面

圖5　運料小車的組態(tài)仿真界面

運料小車組態(tài)控制I/O分配標如表3所示。

表3　運料小車組態(tài)控制I/O分配標

運料小車控制的數(shù)據(jù)庫變量如表4所示，相應(yīng)的實驗程序如圖6所示。

在當(dāng)?shù)卣凸劫Q(mào)易組織的共同協(xié)作下，在當(dāng)?shù)亟⒉乩C合作社。一方面，請專業(yè)的有經(jīng)驗的繡娘，對傳統(tǒng)的、新穎的刺繡技藝進行培訓(xùn)；另一方面，為繡娘提供固定的勞作場所，創(chuàng)造人際往來的空間，吸引更多的繡娘加入合作社，在實現(xiàn)藏繡的量產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)控的同時，有效帶動當(dāng)?shù)貗D女就業(yè)。除此以外，合作社還是一個社區(qū)互助組織，可以充分使用公平貿(mào)易公益反饋資金在當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)開展“藏繡傳承人計劃”、教育反哺和困難幫扶等項目。

表4　運料小車控制數(shù)據(jù)庫變量表

PLC實驗教學(xué)平臺中的其他實驗的設(shè)計這里就不一一具體介紹了，設(shè)計原理與方法參照上述虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計步驟。

3　PLC組態(tài)虛擬實驗的效果分析

應(yīng)用組態(tài)虛擬技術(shù)，可以在一定程度上方便靈活地控制被控對象，這種人機交互式的設(shè)計不僅在PLC實驗教學(xué)中起到了一定的作用，在實際工程控制方面也具有較高的實用價值，例如很多工程現(xiàn)場中都設(shè)計有觸摸屏，通過觀測和與觸摸屏交互實現(xiàn)對工程現(xiàn)場的控制，而觸摸屏正是采用了組態(tài)虛擬技術(shù)實現(xiàn)的。組態(tài)虛擬仿真在教學(xué)中，對培養(yǎng)學(xué)生進行工業(yè)自動化控制系統(tǒng)設(shè)計也具有一定的促進作用。下面就PLC實驗教學(xué)方面將組態(tài)虛擬仿真與傳統(tǒng)PLC實物實驗進行對比，如表5所示。

圖6　運料小車的組態(tài)仿真梯形圖

表5　組態(tài)虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)PLC實物實驗對比

從表上可見，虛擬仿真技術(shù)具有可行性強、費用少和接線簡單等優(yōu)點，在實驗室中某些難配備的設(shè)備應(yīng)用組態(tài)虛擬仿真技術(shù)進行實驗具有一定的優(yōu)勢，這為實驗教學(xué)提供了一個新途徑。

4　結(jié)語

在PLC實驗教學(xué)中采用PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計相結(jié)合的方法，成為PLC實驗課的有利補充。通過此方法可以利用有限的實驗設(shè)備和多樣化的程序來豐富PLC實驗內(nèi)容。學(xué)生通過親自參與組態(tài)樣機的開發(fā)、程序的設(shè)計以及設(shè)備的連接調(diào)試過程，不僅能夠熟練地掌握PLC技術(shù)，還可以提高自己的動手能力和創(chuàng)新能力。另外，仿真控件的開發(fā)周期短，開發(fā)后免維護，所以可以開發(fā)多個仿真控件，增加實驗的多樣性，以達到全方位教學(xué)的目的，豐富學(xué)生的工程實踐經(jīng)驗。

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