徐文濤

組態(tài)軟件在PLC仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

徐文濤

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺(tái)州318020）

PLC課程對(duì)實(shí)踐操作要求較高，但受限于條件，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中普遍使用的受控對(duì)象，如：管道、液壓閥、傳感器、反應(yīng)釜、升降機(jī)、傳送帶等難以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。為突破以上限制，在PLC課程中引入了組態(tài)軟件來仿真工業(yè)控制中的各種受控對(duì)象，并以化學(xué)反應(yīng)釜的控制為例，對(duì)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行說明。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法已用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)并取得了良好的效果。

組態(tài)軟件；PLC；仿真實(shí)驗(yàn)

隨著我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型、升級(jí)以及工業(yè)4.0的逐步推進(jìn)，可編程控制器（Programmable Logic Controller，為敘述方便后文皆簡(jiǎn)稱PLC）在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的使用越發(fā)普及。熟練掌握可編程控制器的使用，能從事自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施的從業(yè)人員一直是相關(guān)企業(yè)的緊缺型技能人才。

PLC技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，教學(xué)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中的典型案例進(jìn)行有針對(duì)性的強(qiáng)化訓(xùn)練才能培養(yǎng)出勝任企業(yè)一線崗位的人才[1]。因此，在PLC課程中必須強(qiáng)化實(shí)踐操作，但受限于條件，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中普遍使用的控制對(duì)象，如：管道、液壓閥、傳感器、反應(yīng)釜、升降機(jī)、傳送帶等難以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)以上限制，在PLC課程中引入了組態(tài)軟件來仿真工業(yè)控制中的各種受控對(duì)象。采用PLC與組態(tài)軟件結(jié)合的方式，學(xué)生先在組態(tài)軟件中搭建好虛擬的受控對(duì)象，然后在PLC中編入控制程序，PLC在運(yùn)行過程中與組態(tài)軟件進(jìn)行通信、交互，即可在計(jì)算機(jī)屏幕上生動(dòng)的呈現(xiàn)控制過程[2]。事實(shí)上，由于組態(tài)監(jiān)控軟件在工業(yè)自動(dòng)化、信息化方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被各行業(yè)廣泛使用。采用這種方案為PLC課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)帶來了很大的方便，也能為學(xué)生將來就業(yè)添加砝碼。

1 利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)PLC仿真實(shí)驗(yàn)的可行性分析

利用組態(tài)軟件之所以可以實(shí)現(xiàn)PLC仿真實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵在于組態(tài)軟件中集成了幾乎所有主流PLC設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，并能通過各種通信協(xié)議（RS232、RS485、MODBUS、pFieldComm、Ethernet等）與PLC進(jìn)行硬件通信。本文采用力控組態(tài)軟件ForceControl 6.1（上位機(jī)）與三菱PLC FX2N-48MR（下位機(jī)）完成仿真實(shí)驗(yàn)，采用RS232電纜完成軟、硬件之間的通信。

通過硬件通信連接，在組態(tài)軟件中搭建的虛擬受控對(duì)象可接收來自PLC發(fā)出的控制信號(hào)，如開關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)、數(shù)值信號(hào)等，同時(shí)也可以向PLC發(fā)出控制信號(hào)，從而得以真實(shí)反應(yīng)PLC和虛擬受控對(duì)象之間的動(dòng)作關(guān)系。虛擬受控對(duì)象在計(jì)算機(jī)屏幕上通過動(dòng)畫、儀表、數(shù)字等方式直觀的表現(xiàn)控制過程，并能通過按鈕、開關(guān)、數(shù)值輸入框等組件來控制PLC[2]。這種便捷、直觀的互動(dòng)方式，為學(xué)生調(diào)試PLC程序帶來了很大的幫助，同時(shí)也擺脫了實(shí)驗(yàn)條件限制的束縛?；赑LC和組態(tài)軟件的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 基于PLC和組態(tài)軟件的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

2 PLC仿真實(shí)例

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)開始前，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在組態(tài)軟件中創(chuàng)建虛擬受控對(duì)象，并進(jìn)行數(shù)據(jù)連接、動(dòng)畫連接以及編制相應(yīng)的動(dòng)作腳本。以上操作可要求學(xué)生在課下預(yù)習(xí)時(shí)在自己電腦上完成，以節(jié)省時(shí)間。然后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)控制要求，利用所學(xué)知識(shí)編寫相應(yīng)的梯形圖程序并寫入到PLC中，以驗(yàn)證虛擬受控對(duì)象的動(dòng)作是否符合實(shí)驗(yàn)控制要求。采用虛擬受控對(duì)象，可減輕學(xué)生的畏懼感和心理負(fù)擔(dān)，把精力集中在程序的編寫和調(diào)試上，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際編程能力[3]。

基于組態(tài)軟件的PLC虛擬實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)流程圖

2.2 應(yīng)用實(shí)例

本文以某化學(xué)反應(yīng)釜的控制為例，對(duì)基于組態(tài)軟件的PLC仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明。上位機(jī)采用力控組態(tài)軟件ForceControl 6.1，下位機(jī)采用三菱PLC FX2N-48MR，通信方式為RS232串行通信。

液體混合裝置控制要求如下：

按下啟動(dòng)按鈕，裝置投入運(yùn)行：

A閥門打開，液體A流入容器，當(dāng)液面到達(dá)SL3時(shí)，SL3接通，關(guān)閉A閥門；

打開B閥門，液體B流入，液面到達(dá)SL2時(shí)，關(guān)閉B閥門；

打開C閥門，液體B流入，液面達(dá)到SL1時(shí)，SL1接通，關(guān)閉C閥門；

攪拌電機(jī)開始攪動(dòng)（工作6秒后停止攪動(dòng)），同時(shí)加熱器開始加熱，測(cè)溫傳感器檢測(cè)到達(dá)到60℃時(shí)，加熱停止；

閥門D打開，開始放出混合液體，當(dāng)液面下降到SL3時(shí)，SL3由接通變?yōu)閿嚅_，再過5秒后，容器放空，閥門D關(guān)閉，開始下一周期。

停止操作：按下停止按鈕后，待當(dāng)前的混合液操作處理完畢后，停止操作。

對(duì)控制要求進(jìn)行分析后，即可在組態(tài)軟件中創(chuàng)建虛擬受控對(duì)象，并進(jìn)行數(shù)據(jù)連接、動(dòng)畫連接以及編制相應(yīng)的動(dòng)作腳本。本實(shí)驗(yàn)所創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 化學(xué)反應(yīng)釜虛擬實(shí)驗(yàn)裝置

創(chuàng)建好虛擬受控對(duì)象后，需要在力控組態(tài)軟件中選擇三菱FX2N-48MR作為I/O設(shè)備，并設(shè)定串行通信的波特率等相關(guān)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)二者的數(shù)據(jù)交換。此外還要在力控軟件中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)和PLC的輸入、輸出點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)二者的互動(dòng)[4]。

在表1中數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)DO0-DO5，D10-D15均為數(shù)字點(diǎn)（只有1和0兩個(gè)狀態(tài)），為表達(dá)液位和溫度還需要設(shè)置2個(gè)模擬點(diǎn)，AI0代表反應(yīng)釜液位值，AI1代表反應(yīng)釜液位溫度值。

表1 PLC輸入、輸出點(diǎn)及數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)的分配

做好以上工作后，即可進(jìn)行梯形圖程序的編制。該控制過程為典型的順序控制，可通過畫出順序功能圖來輔助程序編制。如圖4所示。

圖4 化學(xué)反應(yīng)釜控制的順序功能圖

按順序功能圖編織出梯形圖后，即可將梯形圖寫入PLC并啟動(dòng)力控組態(tài)軟件，進(jìn)行互動(dòng)。如果程序不能實(shí)現(xiàn)所要求的控制功能，學(xué)生可反復(fù)修改程序，直至正確為止。PLC與力控組態(tài)軟件的互動(dòng)過程可掃描文末的二維碼觀看。

3 結(jié)束語

利用本文所提出的基于組態(tài)軟件的PLC仿真手段，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀的感受工業(yè)控制過程。學(xué)生按要求編寫梯形圖程序并寫入到PLC中，馬上就可以驗(yàn)證虛擬受控對(duì)象的動(dòng)作是否符合要求。采用虛擬受控對(duì)象，可減輕學(xué)生的畏懼感和心理負(fù)擔(dān)，把精力集中在程序的編寫和調(diào)試上，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際編程能力，同時(shí)也突破了實(shí)驗(yàn)條件限制的限制。

本文所述的方法也可用于工業(yè)控制系統(tǒng)的開發(fā)階段，以提高開發(fā)效率。

[1]孫振強(qiáng).可編程控制器原理與應(yīng)用教程[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]北京三維科技股份有限公司.力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceCon trol6.0參考手冊(cè)[M].北京：北京三維科技股份有限公司，2007．

[3]周永勤，周美蘭，顏景斌，等.基于組態(tài)技術(shù)虛擬被控對(duì)象的PLC仿真實(shí)驗(yàn)研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，9（6）：7-9.

[4]張智杰，李瑩.組態(tài)軟件及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2002（1）：47－49.

Implement of Configuration Software in PLC Simulating Experiments

XU Wen-tao
（Taizhou Vocational College of Science and Technology，Taizhou Zhejiang 318020，China）

A lot of practice needed in PLC courses，but is limited by the conditions.Controlled objects are commonly used in the industrial field，such as piping，hydraulic valves，sensors，reaction vessels，lifts，conveyors and others difficult to implement in the lab.To break the limit above，we have introduced industrial control configuration software to simulate the controlled objects.A chemical reactor，for example，to describe the virtual simulation experiment method.Virtual simulation of the experimental method has been applied to the teaching and have achieved good results.

configuration software；PLC；simulating experiments

TP273

A

1672-545X（2017）02-0145-02

2016-11-08

2016年度臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院校級(jí)課題（TKY2016038）

徐文濤（1980-），男，湖北廣水人，碩士，助教，主要從事數(shù)控及機(jī)電自動(dòng)化相關(guān)教學(xué)與科研工作。