周 穎，沈 勇，范 菁，吳元凱

（云南民族大學(xué)云南省高校信息與通信安全災(zāi)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650500）

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是用于自動控制的數(shù)字運(yùn)算控制器，也是現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于國家重要基礎(chǔ)設(shè)施和各種工業(yè)控制領(lǐng)域[1]。

國內(nèi)各大學(xué)工科專業(yè)均開設(shè)了與PLC 相關(guān)的課程，傳統(tǒng)的PLC 課程教學(xué)采用“先理論講解，后動手實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式[2-3]。傳統(tǒng)PLC 教學(xué)著重傳授學(xué)生理論知識，缺乏對學(xué)生實(shí)踐能力和綜合運(yùn)用知識能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生PLC 理論與實(shí)踐分離，而且老師講授的教學(xué)內(nèi)容抽象，學(xué)生難以理解，教學(xué)效果并不理想[4-9]。

針對傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，文中采用了項(xiàng)目式教學(xué)方法，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合。以洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的項(xiàng)目為例，采用結(jié)構(gòu)化編程進(jìn)行洗衣機(jī)控制系統(tǒng)PLC 程序的設(shè)計，達(dá)到控制3 臺洗衣機(jī)的目的。同時引入有限狀態(tài)機(jī)的概念，結(jié)合WINCC 組態(tài)軟件，介紹了PLC 結(jié)構(gòu)化編程方法，將PLC 編程化抽象為具體，便于學(xué)生理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生對PLC 的綜合應(yīng)用能力。

1 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)PLC控制原理

文中的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)選用德國西門子S7-1200 系列CPU 1214C 作為控制單元，控制的對象包括電磁閥、電動機(jī)、繼電器、蜂鳴器[10]。其中電動機(jī)的工作狀況、工作時間，需要根據(jù)不同的程序來進(jìn)行設(shè)定。洗衣機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

電動機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及脫水工序皆由繼電器控制，繼電器與PLC 的輸出端相連，以PLC 的輸出信號控制繼電器。脫水繼電器組與電動機(jī)、電源直接相連，當(dāng)洗衣機(jī)脫水時，電動機(jī)以額定轉(zhuǎn)速工作[11]。洗衣機(jī)脫水時的轉(zhuǎn)速與洗滌漂洗時的轉(zhuǎn)速不同，電動機(jī)脫水時的轉(zhuǎn)速要比洗滌時的轉(zhuǎn)速大[12]。進(jìn)水電磁閥和排水電磁閥通過水位檢測傳感器進(jìn)行控制，通過按鍵進(jìn)行手動啟動、手動停止、選擇調(diào)試模式、調(diào)試啟動和調(diào)試停止操作，蜂鳴器用來報警。洗衣機(jī)控制系統(tǒng)開關(guān)量所需的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)數(shù)各為19 個和18 個，I/O 分配表如表1 所示。

表1 系統(tǒng)I/O分配表

2 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)工藝流程

洗衣機(jī)的工作模式包括調(diào)試模式、遙控模式、手動模式。洗衣機(jī)控制系統(tǒng)開始啟動運(yùn)行前，確保系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。選擇洗衣機(jī)模式，按下啟動按鈕，進(jìn)水電磁閥打開，當(dāng)?shù)竭_(dá)高水位時，停止進(jìn)水，并開始進(jìn)行正轉(zhuǎn)洗滌30 s，再暫停2 s 后開始進(jìn)行反轉(zhuǎn)洗滌30 s，再暫停2 s 后重新開始正轉(zhuǎn)洗滌，如此反復(fù)循環(huán)5 次[13]。洗滌結(jié)束后，排水電磁閥打開，開始排水，當(dāng)?shù)竭_(dá)低水位時，脫水電磁閥打開，開始脫水，脫水時間為30 s，30 s 后報警，預(yù)示洗衣完成，按下停止按鈕，洗衣機(jī)停機(jī)。洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 工藝流程圖

3 有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計

在系統(tǒng)程序設(shè)計的過程中，不僅涉及到PLC 控制系統(tǒng)的程序現(xiàn)態(tài)，還涉及到它的歷史狀態(tài)，故將此抽象成有限狀態(tài)機(jī)（Finite-State Machine，F(xiàn)SM），有限狀態(tài)機(jī)是有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型，由一組狀態(tài)、一個初始狀態(tài)、輸入和根據(jù)輸入及現(xiàn)有狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)組成[14]。現(xiàn)實(shí)世界中存在大量具有有限個狀態(tài)的系統(tǒng)：通信協(xié)議系統(tǒng)、編譯器、硬件電路系統(tǒng)等。有限狀態(tài)機(jī)的概念就是來自于現(xiàn)實(shí)世界中的這些有限系統(tǒng)。

設(shè)計洗衣機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時，首先確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中具體包括幾個狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。洗衣機(jī)控制系統(tǒng)涉及的狀態(tài)較多，為了便于分析程序，故將洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行拆分，將狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖劃分成主狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和子狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖兩個部分，繪制兩個狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。主狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中包括6個狀態(tài)，分別是0 狀態(tài)停止、1 狀態(tài)進(jìn)水、2 狀態(tài)運(yùn)行、3 狀態(tài)排水、4 狀態(tài)脫水、5 狀態(tài)報警，如圖3(a)所示；子狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中包括6 個狀態(tài)，分別是9 狀態(tài)結(jié)束、10 狀態(tài)正洗、11 狀態(tài)正暫、12 狀態(tài)反洗、13 狀態(tài)反暫、14 狀態(tài)空閑，如圖3(b)所示。洗衣機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3 所示。

圖3 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化編程

傳統(tǒng)的小型系統(tǒng)可在程序循環(huán)OB中進(jìn)行線性化編程，但這種編程方式僅適用于簡單程序。文中使用TIA Portal V15.1 軟件對洗衣機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由程序組織塊、函數(shù)塊、函數(shù)、數(shù)據(jù)塊4 個部分組成。將系統(tǒng)分割成與工藝流程相對應(yīng)或可重復(fù)使用的更小的子任務(wù)，這些子任務(wù)以獨(dú)立的塊來表示，更易于系統(tǒng)的處理和管理。通過結(jié)構(gòu)化更容易進(jìn)行復(fù)雜程序的編程，通過更改參數(shù)可以反復(fù)使用，使得程序結(jié)構(gòu)更簡單，更改程序更容易，簡化了調(diào)試工作。結(jié)構(gòu)化程序示意圖如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)化程序示意圖

建立用戶自定義數(shù)據(jù)類型“washing machine interface”，在用戶自定義數(shù)據(jù)類型中定義3 臺洗衣機(jī)的輸入接口、輸出接口，如圖5 所示。

圖5 用戶自定義數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)塊（Data Block，DB）用于存儲用戶程序數(shù)據(jù)及程序的中間變量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)塊與臨時數(shù)據(jù)不同，當(dāng)數(shù)據(jù)塊工作結(jié)束時，數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)會被保留下來。建立“equipment”DB 塊，添加3 臺洗衣機(jī)“M1、M2、M3”,數(shù)據(jù)類型為“washing machine interface”，如圖6 所示。

圖6 “equipment”DB塊

函數(shù)塊（Function Block，F(xiàn)B）是含有DB 塊的FC函數(shù)，具有“存儲器”功能。它將輸入、輸出和輸入/輸出參數(shù)永久地存儲在背景數(shù)據(jù)塊中，從而在執(zhí)行塊之后，這些值仍然有效。函數(shù)塊（FB）易于移植，對于相同控制邏輯不同參數(shù)的被控對象，只要使用不同的背景DB，同一個FB 塊就可以實(shí)現(xiàn)控制，減少了重復(fù)工作，提高了工作效率[15]。文中通過建立“washing machine advanced”、“washing process advanced”、“master control”3 個FB 函數(shù)塊，分別在各自FB 函數(shù)塊的局部變量聲明表中進(jìn)行定義，包括輸入接口、輸出接口、輸入/輸出接口以及靜態(tài)變量。

洗衣機(jī)控制系統(tǒng)函數(shù)塊里涉及的定時器、計數(shù)器皆為多重背景數(shù)據(jù)塊，可以把某一個FB 塊作為一個FB 類型的變量，方便多重數(shù)據(jù)塊多次、重復(fù)地按FB 接口參數(shù)建立FB 數(shù)據(jù)區(qū)，即多重數(shù)據(jù)塊包含多個背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)[16]，使得3臺洗衣機(jī)工作時，彼此之間不會發(fā)生沖突。系統(tǒng)FB塊如圖7所示。

圖7 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的FB塊

函數(shù)（Function，F(xiàn)C）是不帶存儲器的代碼塊。由于沒有可以存儲塊參數(shù)值的數(shù)據(jù)存儲器，調(diào)用函數(shù)時，必須給所有形參分配實(shí)參，可以使用全局?jǐn)?shù)據(jù)永久性存儲數(shù)據(jù)。常常在FC 函數(shù)中寫一些需要重復(fù)執(zhí)行的代碼，可以在程序的不同地方調(diào)用，可以被OB 塊、FC 塊、FB 塊調(diào)用，也可以調(diào)用其他FB 塊、FC塊。使用FC 可以簡化需要重復(fù)執(zhí)行的任務(wù)，提高代碼的運(yùn)行效率，不占用額外的存儲資源。在洗衣機(jī)控制系統(tǒng)中建立"enter"、"out"兩個FC 塊，將信號傳送到每一臺設(shè)備對應(yīng)的接口上。

組織塊（Organization Block，OB）是CPU 操作系統(tǒng)和用戶程序之間的接口，由操作系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)建立一個程序時，系統(tǒng)會自動建立一個Main[OB1]程序，負(fù)責(zé)調(diào)用其他模塊[17]。如果程序簡單，只需要OB 塊就可以實(shí)現(xiàn)。該程序會在PLC 的每個掃描周期被調(diào)用，可以在CPU 上啟動時調(diào)用，可以循環(huán)調(diào)用，也可以在PLC 發(fā)生錯誤時調(diào)用。Main[OB1]程序類似于C語言里面的Main 函數(shù)，即為函數(shù)的入口點(diǎn)，可以在Main 程序里面調(diào)用各種函數(shù)塊[18]。

在"master control" FB 塊中進(jìn)行調(diào)用"washing machine advanced"FB 塊，實(shí)現(xiàn)對3 臺洗衣機(jī)的控制，在"washing machine advanced" FB 塊中進(jìn)行調(diào)用"washing process advanced" FB 塊，其中，每個被調(diào)用的FB 塊皆為多重背景數(shù)據(jù)塊。在Main[OB1]中調(diào)用"enter"FC 塊、"master control"FB 塊、"out"FC 塊。

5 WINCC畫面

在WINCC 組態(tài)軟件的項(xiàng)目視圖中新建一個洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的畫面。畫面中能直觀地看到洗衣機(jī)的整個工藝流程。主畫面進(jìn)行洗衣機(jī)臺號的選擇，子畫面為每一臺洗衣機(jī)的畫面，子畫面與主畫面可以進(jìn)行切換，如圖8 所示。

圖8 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)仿真畫面圖

6 結(jié)束語

通過教學(xué)實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)的PLC 教學(xué)方法相比，文中采取的項(xiàng)目式教學(xué)PLC 編程方法從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，使得編程方法通俗易懂，逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，既培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)，又能夠讓學(xué)生在今后的PLC 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域有一定的工程設(shè)計能力。