虛實(shí)結(jié)合的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

何 俊，夏 斌

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

可編程邏輯控制器(PLC)在國內(nèi)外被廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制的各個(gè)方面，如機(jī)械、汽車、電力及化工等。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)是一個(gè)以機(jī)械工業(yè)實(shí)踐為基礎(chǔ)的專業(yè)，PLC作為機(jī)械行業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要控制器，需面向?qū)W生開展豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實(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)[1－2]。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能和數(shù)量的限制，目前各高校PLC實(shí)驗(yàn)的開出數(shù)量和質(zhì)量遠(yuǎn)不能滿足課程教學(xué)的需要。常見的PLC實(shí)驗(yàn)主要依托小型PLC設(shè)備，通常是購買的成套設(shè)備，PLC編程項(xiàng)目受設(shè)備限制，其端子已被固接，不能按需求自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。而且由于實(shí)驗(yàn)用PLC功能及場地經(jīng)費(fèi)限制，無法開展較大型設(shè)備的PLC編程實(shí)驗(yàn)[3]。為了解決目前PLC實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于觸摸屏、PLC、步進(jìn)電機(jī)絲杠、變頻電機(jī)及PID溫度模塊的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既方便指導(dǎo)教師依托專用軟件編制各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，借助觸摸屏模擬多種設(shè)備運(yùn)行情況，同時(shí)也配備常見的被控對(duì)象實(shí)體，形象直觀，虛實(shí)結(jié)合，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)常見控制對(duì)象的理解和鍛煉編程能力，達(dá)到提升實(shí)驗(yàn)效果的目的。

1 高校PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析

目前，市面上有各種機(jī)電一體化設(shè)備是PLC實(shí)驗(yàn)理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，形象直觀，且還有多種虛擬軟件可以不用借助任何硬件開展實(shí)驗(yàn)。各高校開展PLC編程實(shí)驗(yàn)，通常采用下面3種模式。

1)借助各種機(jī)電一體化設(shè)備，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由PLC、接口電路、機(jī)械本體和傳感器構(gòu)成。我們可以通過在計(jì)算機(jī)上編寫梯形圖，通過接口導(dǎo)入，運(yùn)行程序。這種方法可見性和操作性強(qiáng)，但由于設(shè)備數(shù)量和設(shè)備功能等限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般只能分組進(jìn)行[4]，教學(xué)效果不理想。

2)借助計(jì)算機(jī)、PLC和轉(zhuǎn)接板等構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其被控對(duì)象虛擬化，可通過VB、VC等可視化編程軟件[5]或組態(tài)王[6]等專用工控組態(tài)軟件制作被控對(duì)象，減少機(jī)械本體，節(jié)約經(jīng)費(fèi)和減少安全隱患，在過程控制實(shí)驗(yàn)和智能交通實(shí)驗(yàn)方面應(yīng)用廣泛[7－8]。但軟件開發(fā)周期較長，且不直觀。

3)在PC機(jī)上通過軟件模擬PLC程序和機(jī)械本體動(dòng)作。這種方法采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[9]，不依賴任何硬件。此方法投入最少，但沒有真實(shí)的PLC動(dòng)作，偏離了PLC教學(xué)本意。

以上3種模式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。為此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)結(jié)合了以上各種方法的優(yōu)點(diǎn)，采用虛實(shí)結(jié)合的方式及目前工業(yè)中廣泛運(yùn)用的工業(yè)觸摸屏作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作和監(jiān)控[10]。采用真實(shí)的西門子PLC作為下位機(jī)，并且加入機(jī)械行業(yè)常用的變頻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)絲杠等作為控制對(duì)象之一，既可降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本，又具有一定直觀性，同時(shí)還可以自由設(shè)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)效果。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)架

圖1 PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，啟停開關(guān)作為每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目啟動(dòng)與停止的總開關(guān)，蜂鳴器作為報(bào)警使用，上位機(jī)HMI通過RS485接口與PLC實(shí)現(xiàn)通信，把觸摸屏界面的控制信號(hào)傳送給PLC，并將PLC反饋的信號(hào)加以顯示達(dá)到監(jiān)控目的。變頻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和溫度模塊等為被控實(shí)體，直接受控于PLC。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既可以自由編制多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如大家非常熟悉的交通燈、電梯等，同時(shí)也可專門針對(duì)步進(jìn)電機(jī)和變頻電機(jī)控制開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還可以虛實(shí)結(jié)合進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備模擬等實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以選擇自己感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)老師提供的端口地址，編制梯形圖程序，導(dǎo)入運(yùn)行后即可對(duì)程序進(jìn)行檢查和修正。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由工業(yè)觸摸屏為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和監(jiān)控，設(shè)備上常用的開關(guān)按鈕和指示燈等常見本體在觸摸屏上體現(xiàn)，既可以節(jié)省成本，又可以大大減少PLC端口的使用，還可以將現(xiàn)實(shí)中大家很熟悉的設(shè)備在觸摸屏上虛擬演示，可以自由開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。可選用端口較少的小型PLC，通過與觸摸屏配合使用可替代復(fù)雜的PLC使用。同時(shí)變頻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、溫度控制與檢測在機(jī)械行業(yè)中運(yùn)用廣泛，設(shè)備價(jià)格也較低，以實(shí)物作為控制對(duì)象之一。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由硬件和軟件構(gòu)成，硬件主要提供程序運(yùn)行的載體和部分控制對(duì)象，軟件主要是模擬各種真實(shí)本體動(dòng)作的功能界面。

3.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包括電源模塊、工業(yè)觸摸屏、PLC、變頻電機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊及簡單的控制開關(guān)。其中工業(yè)觸摸屏采用維綸觸摸屏，PLC選用西門子224XP，變頻器為達(dá)400 W的變頻器，電機(jī)為三相異步電機(jī)(帶編碼器)和42步進(jìn)電機(jī)，溫度模塊由溫度變送器、PT100溫度傳感器和熱得快構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路圖

受PLC控制，需要對(duì)變頻器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，以滿足控制要求，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的變頻器參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)定

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)考慮到真實(shí)設(shè)備給學(xué)生的感觸和虛擬現(xiàn)實(shí)的功能強(qiáng)大，采用真實(shí)廉價(jià)的PLC、小型變頻器和三相電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)絲杠傳感器套裝、加熱器和溫度傳感器作為真實(shí)的硬件組成，以模擬變頻電機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)絲杠控制和PID控制。PLC可通過3種方式控制變頻器，即開關(guān)量控制、模擬量控制和通信控制。PLC控制繼電器閉合實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制變頻器，通過PLC模擬量模塊實(shí)現(xiàn)模擬量控制，通過RS485接口實(shí)現(xiàn)通信控制。利用PLC的Q0.0端口輸出高速脈沖，Q0.1端口輸出方向信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過編碼器向PLC的I0.0、I0.1端口輸入計(jì)數(shù)脈沖來計(jì)算絲杠位移。PLC根據(jù)PID參數(shù)通過計(jì)算使Q0.5端口發(fā)出控制脈沖，控制加熱器，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

3.2 上位機(jī)軟件開發(fā)

觸摸屏組態(tài)軟件為我們進(jìn)行控制界面開發(fā)提供了一種搭積木式的工具，可將各種控制對(duì)象抽象為基本圖形和部件，通過組態(tài)建立控制關(guān)系，構(gòu)建簡潔直觀的人機(jī)界面。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)觸摸屏組態(tài)軟件開發(fā)采用維綸Easy Builder[11－13]組態(tài)軟件，該軟件操作容易，功能強(qiáng)大，可以輕松完成復(fù)雜的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，在線模擬可節(jié)省時(shí)間，非常有利于開發(fā)多種控制界面以開展PLC實(shí)驗(yàn)。

觸摸屏應(yīng)用程序設(shè)計(jì)步驟為參數(shù)設(shè)置、圖形界面設(shè)計(jì)、定義元件和設(shè)備、編譯、在線模擬、下載和調(diào)試程序?？刂平缑嬖O(shè)計(jì)時(shí)，首先需要進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置，Easy Builder軟件已經(jīng)針對(duì)工業(yè)常用的PLC制作了相應(yīng)的通信協(xié)議，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在軟件中通信協(xié)議如圖3所示。

圖3 PLC與觸摸屏通信協(xié)議

Easy Builder軟件提供了大量常用功能元件，如位狀態(tài)指示燈、位狀態(tài)設(shè)置、位狀態(tài)切換開關(guān)、多狀態(tài)指示燈、多狀態(tài)設(shè)置和數(shù)值等元件，這些元件可通過屏幕觸摸來改變狀態(tài)和按鈕畫面，也可通過讀取PLC寄存器值來改變狀態(tài)。利用位狀態(tài)切換開關(guān)、位狀態(tài)指示燈可模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中常見的只有兩種狀態(tài)的按鈕和指示燈。多位狀態(tài)切換開關(guān)、多位指示燈可以模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的多狀態(tài)按鈕和指示燈，同時(shí)可通過多狀態(tài)切換來模擬動(dòng)作過程，使界面更真實(shí)，更貼合實(shí)際。同時(shí)Easy Builder軟件還提供報(bào)警、XY曲線圖、歷史事件顯示和數(shù)據(jù)群組顯示，可起到監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況的作用。

如圖4所示，展示了此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)觸摸屏界面效果，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)自己的能力和喜好進(jìn)行選擇學(xué)習(xí)。在界面制作時(shí)，已經(jīng)規(guī)定了界面各按鈕和指示燈的地址，這里地址有別于真實(shí)PLC的I/O端口，它借助PLC內(nèi)部的寄存器，如V、M作為I/O端口，當(dāng)觸碰界面開關(guān)時(shí)，觸摸屏?xí)詣?dòng)改變開關(guān)狀態(tài)并向相應(yīng)的PLC地址寫值，當(dāng)指示燈對(duì)應(yīng)的PLC地址值改變，觸摸屏上顯示燈狀態(tài)也隨之改變。

圖4 觸摸屏實(shí)驗(yàn)界面

此PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面遵循由淺入深的原則，首先通過彩燈及交通燈模擬掌握基礎(chǔ)PLC編程的思路和技巧，學(xué)會(huì)PLC常用簡單指令，如計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、比較。之后針對(duì)機(jī)械行業(yè)常見的控制對(duì)象——變頻電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)絲杠開展實(shí)驗(yàn)，掌握常用電機(jī)的PLC控制方法。此外，針對(duì)目前工業(yè)常用的PID控制，通過自己編制PID控制程序，掌握PID控制方法。最后，綜合前面的知識(shí)，開展綜合性實(shí)驗(yàn)，如電梯實(shí)驗(yàn)，不僅要實(shí)現(xiàn)按鈕開關(guān)功能及信息顯示，同時(shí)還需控制變頻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械手實(shí)驗(yàn)，需要控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)手臂精確轉(zhuǎn)動(dòng)控制。

3.3 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

Easy Builder軟件自身具有離線模擬和在線模擬功能，同時(shí)還能監(jiān)控界面所使用的地址，從而在界面的編制過程中模擬按鈕指示燈動(dòng)作和排除地址服務(wù)等問題，編譯后界面可導(dǎo)入觸摸屏中進(jìn)行調(diào)試和觀看效果。經(jīng)本文測試和編制PLC程序調(diào)試，上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分運(yùn)行正常，界面按鈕和顯示燈工作正常，觸摸屏、PLC、電機(jī)和傳感器等接線正確，變頻器參數(shù)設(shè)定可以按實(shí)驗(yàn)要求驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)用虛擬界面替代按鈕、顯示燈和大型貴重設(shè)備，同時(shí)本身又包含常用電機(jī)等的控制，虛實(shí)結(jié)合，擴(kuò)展能力強(qiáng)，功能強(qiáng)大。如圖5所示，為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的觸摸屏界面狀態(tài)。

圖5 觸摸屏運(yùn)行狀態(tài)界面

4 結(jié)束語

本文作者設(shè)計(jì)開發(fā)的虛實(shí)結(jié)合的PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過機(jī)械系大四年級(jí)三百多名同學(xué)的操作和一年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì):1)將現(xiàn)代技術(shù)手段運(yùn)用到教學(xué)中，讓大家接觸到工業(yè)觸摸屏這種先進(jìn)的工控設(shè)備；2)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)層級(jí)分明，針對(duì)性強(qiáng)，常見元件通過觸摸屏虛擬，減少真實(shí)I/O端口使用，本專業(yè)常用控制對(duì)象實(shí)體化，方便掌握PLC對(duì)變頻電機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)控制、PID控制接線、PLC特殊端口使用、參數(shù)設(shè)置和PLC編程等方面的知識(shí)；3)由于使用的I/O端口較少，可以用低級(jí)的PLC實(shí)現(xiàn)高級(jí)PLC功能，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以自由設(shè)定，可以支持多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有助于后續(xù)實(shí)驗(yàn)開發(fā)；4)有助于開放思維，由于此系統(tǒng)大量借助M、V寄存器實(shí)現(xiàn)功能，這些寄存器的運(yùn)用和I、Q的運(yùn)用有所不同，編程時(shí)尤其要注意，復(fù)雜設(shè)備的PLC編程也會(huì)借助大量的M、V寄存器，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有助于鍛煉學(xué)生思維。

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