姚娜 趙曉芳 李儀

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

目前很多工科院校開設(shè)了可編程邏輯控制器 (PLC)這門課程，這是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，因此PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容非常重要，占了總學(xué)時(shí)的很大部分。而在實(shí)際生產(chǎn)中像電機(jī)、機(jī)床等這些被控對(duì)象體積、重量都比較大，價(jià)格昂貴且日常維護(hù)很困難，因此無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室大量使用。如果采用組態(tài)軟件和PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，用組態(tài)模擬實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，不但可以用有限的設(shè)備來(lái)豐富學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，而且可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的。本文主要以自動(dòng)車庫(kù)門控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明基于MCGS組態(tài)軟件的PLC實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)架

系統(tǒng)主要有計(jì)算機(jī)、西門子PLC以及外圍模擬設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖1所示。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)。在上位機(jī)中配置MCGS組態(tài)軟件和西門子200系列PLC的編程軟件STEP 7－Micro/WIN。MCGS是一套32位全中文工業(yè)自動(dòng)化控制組態(tài)軟件，可穩(wěn)定運(yùn)行于Windows95/98/Me/NT/2000等多種操作系統(tǒng)，集動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、雙機(jī)熱備、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備，在自動(dòng)化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。MCGS軟件通過(guò)RS232接口與PLC之間進(jìn)行通信，并監(jiān)控PLC的所有的存儲(chǔ)器、控制器及I/O接口的狀態(tài)，以變量值的形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，供上位機(jī)使用處理［1］。MCGS組態(tài)軟件概念簡(jiǎn)單，便于理解和應(yīng)用，學(xué)生經(jīng)過(guò)短時(shí)間的培訓(xùn)就能正確掌握其應(yīng)用，因此方便在實(shí)驗(yàn)室的推廣應(yīng)用。

2 自動(dòng)車庫(kù)門實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)

下面以基于組態(tài)軟件的自動(dòng)車庫(kù)門PLC控制系統(tǒng)的仿真為例，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)的開發(fā)過(guò)程。

2.1 分析自動(dòng)車庫(kù)的控制要求

自動(dòng)車庫(kù)控制系統(tǒng)包括兩個(gè)過(guò)程:存車和和取車。

存車:1.車到門前，車燈亮3次;2.門外車感傳感器接收到3個(gè)車燈的亮、滅信號(hào)后，延時(shí)3 s，車庫(kù)門自動(dòng)上卷，動(dòng)作指示燈亮;3.門上行碰到上限位開關(guān)，門全部打開，此時(shí)停止上行;4.車進(jìn)入車庫(kù)，門內(nèi)車位傳感器檢測(cè)到車停到車位，延時(shí)2 s，門自動(dòng)下行，動(dòng)作指示燈亮;5.門下行碰到下限位開關(guān)，門全部關(guān)閉，此時(shí)停止下行。

取車:1.當(dāng)車出車庫(kù)時(shí)，車燈亮3次;2.門內(nèi)車感傳感器接收到3個(gè)車燈的亮、滅信號(hào)后，延時(shí)2 s，車庫(kù)門自動(dòng)上卷，動(dòng)作指示燈亮;3.門上行碰到上限位開關(guān)，門全部打開，此時(shí)停止上行;4.車出車庫(kù)后，門外車位傳感器檢測(cè)到車已經(jīng)出車庫(kù)，延時(shí)2 s，門自動(dòng)下行，動(dòng)作指示燈亮;5.門下行碰到下限位開關(guān)，門全部關(guān)閉，此時(shí)停止下行。

同時(shí)模擬在車庫(kù)內(nèi)和車庫(kù)外均設(shè)有手動(dòng)控制開關(guān)，可以控制門的開門、關(guān)門和停止。

2.2 分配PLC I/O點(diǎn)

根據(jù)自動(dòng)車庫(kù)控制系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需要的輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)，常用的輸出設(shè)備有指示燈等。明確I/O設(shè)備后，對(duì)PLC進(jìn)行I/O分配［2］。分配如表1所示。

表1 I/O分配表

2.3 利用MCGS組態(tài)監(jiān)控界面

MCGS提供了基本的繪圖工具，同時(shí)也提供了元件庫(kù)，用于畫較復(fù)雜但常用的元件圖形。在畫面中，除了繪圖，還要對(duì)設(shè)置的按鈕、元件進(jìn)行屬性設(shè)置，如操作屬性、基本屬性、數(shù)據(jù)對(duì)象、動(dòng)畫連接等。上位機(jī)監(jiān)控界面是給用戶最直觀的顯示，在自動(dòng)車庫(kù)門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要直觀的看到車庫(kù)門的上升和下降動(dòng)作、汽車的進(jìn)庫(kù)出庫(kù)、車燈的亮滅信號(hào)、庫(kù)門的上卷下行指示等，并設(shè)置了手動(dòng)開門、手動(dòng)關(guān)門等手動(dòng)模擬控制開關(guān)。進(jìn)入到MCGS組態(tài)運(yùn)行環(huán)境后，可以觀察到汽車的自動(dòng)進(jìn)庫(kù)和出庫(kù)過(guò)程，并可以手動(dòng)調(diào)試各個(gè)元件狀態(tài)是否正常，其動(dòng)作過(guò)程反映了PLC程序的運(yùn)行結(jié)果。自動(dòng)車庫(kù)門組態(tài)畫面如圖2所示。

圖2 自動(dòng)車庫(kù)組態(tài)畫面

2.4 定義數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)軟件的核心部分，是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁，系統(tǒng)中各個(gè)部分均以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為公用區(qū)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的協(xié)調(diào)動(dòng)作［3］。本工程共定義了33個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，其中包括25個(gè)開關(guān)量，8個(gè)數(shù)值量。為真實(shí)模擬自動(dòng)車庫(kù)門控制過(guò)程，在數(shù)據(jù)庫(kù)中還創(chuàng)建了一些中間變量，如水平變化參數(shù)、大小變化參數(shù)等。在工程中部分變量設(shè)置如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)定義

2.5 建立動(dòng)畫連接

在畫面的圖形對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)變量之間建立聯(lián)系，當(dāng)設(shè)定的變量值改變時(shí)，在畫面上以圖形對(duì)象的動(dòng)畫效果表示出來(lái)。本系統(tǒng)的動(dòng)畫連接包括車庫(kù)門上卷下行、汽車進(jìn)庫(kù)出庫(kù)等。在進(jìn)行動(dòng)畫連接時(shí)，除了進(jìn)行必要的變量關(guān)聯(lián)外，有時(shí)還需要編寫一定的腳本程序配合PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。以車庫(kù)門上下移動(dòng)和汽車進(jìn)庫(kù)出庫(kù)為例，其腳本程序如下:

2.6 MCGS與西門子200PLC的聯(lián)機(jī)調(diào)試

西門子PLC通過(guò)直接帶有的RS-232接口用電纜與計(jì)算機(jī)建立連接。MCGS通過(guò)串口PPI協(xié)議讀/寫PLC的各個(gè)繼電器和寄存器的內(nèi)容。西門子PLC掛接在MCGS串口父設(shè)備下。串口父設(shè)備在設(shè)置通信參數(shù)和通信端口時(shí)，必須設(shè)置成與PLC的通信參數(shù)和通信端口一致。西門子PLC常采用的通信參數(shù)是:波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，偶校驗(yàn)。設(shè)置好基本屬性后，進(jìn)行通道連接，將MCGS中的數(shù)據(jù)對(duì)象對(duì)應(yīng)添加到“連接變量”中。連接完畢進(jìn)行通信檢查無(wú)誤之后，MCGS就可以驅(qū)動(dòng)PLC程序，實(shí)現(xiàn)仿真效果［4］。連接完的部分屬性如圖4所示。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，自動(dòng)車庫(kù)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4 通道連接屬性頁(yè)

3 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)入MCGS模擬仿真環(huán)境后，同時(shí)運(yùn)行PLC控制程序，即可看到車的移動(dòng)和車庫(kù)的自動(dòng)開門關(guān)門過(guò)程。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，我們也可以完成機(jī)械手控制、水箱水位控制、十字路口交通燈控制、四層電梯控制等PLC的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可以解決用傳統(tǒng)的實(shí)物方法開設(shè)PLC實(shí)驗(yàn)課遇到的各種困難，節(jié)約學(xué)校的經(jīng)費(fèi)投入。同時(shí)MCGS也可以和單片機(jī)控制系統(tǒng)配合應(yīng)用，可完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，在學(xué)校有推廣意義。

［1］袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社.2003.

［2］王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［3］陳君姿，莫林，侯占偉.組態(tài)軟件圖形組態(tài)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007(1):52－53.

［4］周永勤，周美蘭，戈寶軍，等.基于多組態(tài)平臺(tái)工控設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究［J］.電子電氣教學(xué)學(xué)報(bào)，2005(2):76－78.