張芬

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系，陜西 西安 710089）

可編程控制器技術(shù)（PLC技術(shù)）是自動(dòng)化專業(yè)的核心課程之一，是一門知識覆蓋面廣、涉及內(nèi)容多、更新發(fā)展快、強(qiáng)調(diào)理論而又偏重實(shí)踐應(yīng)用的課程，與生產(chǎn)實(shí)際和工程應(yīng)用結(jié)合緊密且應(yīng)用廣泛。因此深化對PLC實(shí)踐教學(xué)的改革顯得更為重要。

1 組態(tài)軟件概述

組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件，譯自英文SCADA，即Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。

MCGS （Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)），由北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司開發(fā)，是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位 Windows平臺上）運(yùn)行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案[4]。

2 PLC實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

PLC控制應(yīng)用技術(shù)是實(shí)踐性非常強(qiáng)的一門課程，如何利用已有的資源，理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生能最大限度地深入學(xué)習(xí)是該門課程教學(xué)中需要解決的問題。目前科學(xué)技術(shù)日新月異，企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程都在不斷更新?lián)Q代，為了讓學(xué)生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，要求我們的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要不斷更新，進(jìn)而要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備要不斷更新。由于受到面積、價(jià)格等諸多客觀條件的限制，很難在實(shí)驗(yàn)室配置數(shù)量較多的PLC和較全面的工業(yè)控制對象，也很難實(shí)現(xiàn)設(shè)備的不斷更新，因而制約了實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和質(zhì)量，普遍存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、經(jīng)費(fèi)不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)等問題。如何利用現(xiàn)有資源最大限度的滿足實(shí)踐教學(xué)需求顯得尤為重要。

3 MCGS組態(tài)技術(shù)用于PLC實(shí)踐教學(xué)

采用組態(tài)軟件與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行二次開發(fā)，對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)畫組態(tài)、硬件組態(tài)和控制組態(tài)，通過計(jì)算機(jī)平臺全真模擬PLC自動(dòng)化控制的教學(xué)實(shí)踐過程。即利用MCGS組態(tài)來仿真模擬PLC系統(tǒng)的輸入、輸出設(shè)備?；蛘咭部梢哉f利用MCGS來組態(tài)設(shè)計(jì)PLC的控制對象[5]。進(jìn)行PLC教學(xué)時(shí)，教師可以利用組態(tài)軟件很容易地實(shí)現(xiàn)文字錄入、圖形繪制、動(dòng)畫連接、程序編寫、視頻輸出等功能。利用組態(tài)軟件仿真模擬PLC的控制對象能解決無實(shí)際控制對象或由于經(jīng)費(fèi)不足購置困難的問題。利用有限的成本，多樣化的程序來豐富學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、編程技巧和動(dòng)手能力，大大豐富了PLC實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果和學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到了全方位教學(xué)的目的。將MCGS應(yīng)用于PLC教學(xué)是一種新的探索和嘗試。

筆者將以在化工、機(jī)械等行業(yè)的生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛的混料簡易控制實(shí)例，講解組態(tài)控制系統(tǒng)的構(gòu)造過程。

3.1 系統(tǒng)控制要求

初始狀態(tài)容器是空的，電磁閥Y1，Y2，Y3，Y4和攪拌機(jī)均為OFF，液面?zhèn)鞲衅鱈1，L2，L3均為OFF。按下啟動(dòng)按鈕，開始下列操作：電磁閥Y1閉合，開始注入液體A，至液面高度為L3時(shí)，停止注入液體A，同時(shí)開啟電磁閥Y2，注入液體B，當(dāng)液面高度為L2時(shí)，停止注入液體B，同時(shí)開啟電磁閥Y3，注入液體C，當(dāng)液面高度為L1時(shí)，停止注入液體C。開啟攪拌機(jī)M，攪拌混合時(shí)間為10 s。停止攪拌后，開啟Y4放出混合液體，至液體高度降為L3后，再經(jīng)5 s停止放出[1]。

3.2 實(shí)施步驟

3.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，了解系統(tǒng)工藝過程，進(jìn)行需求分析，確定組態(tài)軟件與PLC的輸入輸出點(diǎn)。本系統(tǒng)選用西門子S7-200系列PLC，系統(tǒng)I/O分配[2]如表1所示。

表1 系統(tǒng)I/O分配表Tab.1 System I/O-distributed-list

3.2.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)如圖1所示[6]。

圖1 系統(tǒng)PLC程序Fig.1 System program of PLC

3.2.3 窗口畫面制作

在MCGS用戶窗口中新建一個(gè)多種液體混合監(jiān)控窗口。在窗口中，插入相關(guān)元件，并對其中有動(dòng)畫效果的圖元進(jìn)行屬性設(shè)置，如電磁閥的打開與關(guān)閉、攪拌器扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)、液體的上升與下降等。制作的畫面如圖2所示。

3.2.4 建立數(shù)據(jù)對象

在MCGS組態(tài)運(yùn)行環(huán)境下，單擊“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫”，按“新增對象”按鈕，根據(jù)系統(tǒng)要求增加數(shù)據(jù)變量。選中新建變量，按“對象屬性”按鈕或雙擊選中變量，則打開對象屬性設(shè)置窗口。按系統(tǒng)要求指定名稱類型，更改用戶定義的名稱。本系統(tǒng)最終實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫如圖3所示。

3.2.5 系統(tǒng)調(diào)試

上位機(jī)PC和下位機(jī)PLC之間通過COM1口進(jìn)行通信連接，采用串行通信的異步方式，半雙工，偶校驗(yàn)，波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位[3]。當(dāng)上下位機(jī)連接成功后，通過串口采集混料罐液位數(shù)據(jù)，使PLC對混料閥門進(jìn)行控制，就能通過串口改變上位機(jī)畫面中閥門和相應(yīng)文字的顏色，以實(shí)現(xiàn)對混料灌控制系統(tǒng)的監(jiān)測。反之，也可以通過上位機(jī)參數(shù)的改變，把相應(yīng)的值寫入到 PLC的中間繼電器中，實(shí)現(xiàn)對混料罐系統(tǒng)液位值的控制。串口父設(shè)備的屬性設(shè)置如圖4所示，子設(shè)備屬性設(shè)置如圖5所示。

3.3 運(yùn)行效果

實(shí)踐證明，該上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以模擬現(xiàn)場自動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)的工藝流程，可以與PLC實(shí)施信息交互，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控plc工作，人機(jī)界面良好，便于操作，系統(tǒng)安全可靠，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 教改效應(yīng)

1）可以解決實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)的問題

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.2 GUI of system

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象Fig.3 Data objects of system

圖5 子設(shè)備參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameter settings of sub equipment

圖4 通用串口父設(shè)備參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameter settings of common serial father’s equipment

利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)、畫面組態(tài)等工作即可完成所需應(yīng)用軟件的開發(fā)工作，可以開發(fā)模擬更多、更直觀的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

2）可以在節(jié)約資金的基礎(chǔ)上，滿足不斷更新變化的教學(xué)需求

企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程都在不斷更新?lián)Q代，當(dāng)PLC控制對象不滿足教學(xué)時(shí)，利用MCGS開發(fā)實(shí)驗(yàn)所需的監(jiān)控界面取代價(jià)格昂貴的實(shí)物模型，可大大節(jié)省成本，畫面直觀，設(shè)計(jì)靈活，調(diào)試方便。

3）采用模擬情境教學(xué)，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，最終達(dá)到提高教學(xué)效果的目的

用組態(tài)軟件結(jié)合plc在線運(yùn)行制成動(dòng)畫，模擬自動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)的現(xiàn)場工藝流程，讓學(xué)生深刻領(lǐng)會控制的現(xiàn)場工藝要求和生產(chǎn)過程。提高了PLC課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)本身及理論課程的理解，增強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用能力，并且使學(xué)生盡早地接觸到了先進(jìn)的科學(xué)知識和科研方法，開闊了視野，促使學(xué)生想象力、創(chuàng)造力得到了發(fā)揮，為培養(yǎng)高質(zhì)量的人才提供有力的保證。

4）為教師科研提供了便利條件

該方法還可在教師科研中發(fā)揮巨大作用，能夠節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，又能縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的效率和安全性。

5 結(jié)束語

基于MCGS組態(tài)軟件的PLC教學(xué)，充分體現(xiàn)了MCGS組態(tài)軟件的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理和圖像表現(xiàn)能力，既可緩解高校PLC實(shí)踐教學(xué)設(shè)備投入不足的困難，又可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生PLC控制系統(tǒng)的綜合開發(fā)能力，是PLC實(shí)踐教學(xué)方式的一種探索、一種改革、一種進(jìn)步。

[1]雷霞.基于MCGS和PLC自動(dòng)混料系統(tǒng)的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2008（3）：126-127.LEI Xia.The application of automatic mixture system based on MCGS and PLC[J].Instrumentation Customer，2008（3）：126-127.

[2]張玲.《PLC應(yīng)用技術(shù)》教改探索與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2006（10）:64-69.ZHANG Ling.《The application of PLC Technology》 exploration and practiceof teachingreform[J].Chinamodern education equipment，2006（10）:64-69.

[3]高麗萍，鄧萍.基于MCGS的PLC虛擬控制系統(tǒng)研究[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2006，25（1）:94-97.GAO Li-ping，DENG Ping.Virtual control system research of PLCBased onthe MCGS[J].Journalof Xihua University：Natural Science Edition，2006，25（1）:94-97.

[4]北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.MCGS參考手冊[S].2006.

[5]北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.MCGS用戶指南[S].2006.

[6]李俊秀，趙黎明.可編程控制器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)[M].北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.