王亞芳，吳 曉，郭曉麗，陳瑞祥

（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

在南通大學(xué)自動(dòng)化和電氣類專業(yè)教學(xué)中，“電氣控制技術(shù)”“PLC原理及其應(yīng)用”課程一直作為集成創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系中的主干課程[1]。學(xué)生不僅要學(xué)會(huì)其基本原理和基本概念，也要培養(yǎng)自身的實(shí)踐操作能力，掌握在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技巧。因此，PLC課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)除了使學(xué)生對(duì)課程中一些知識(shí)點(diǎn)有更深一步的理解外，更重要的是實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)必須遵循集成創(chuàng)新人才的培養(yǎng)規(guī)律，使學(xué)生掌握一定的實(shí)際操作、實(shí)際工程方法手段[2]。

目前，PLC課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還是以程序的編程訓(xùn)練為主，學(xué)生在確認(rèn)PLC系統(tǒng)接線的基礎(chǔ)上，重心就是編寫和輸入控制程序并調(diào)試、運(yùn)行，觀察控制對(duì)象的動(dòng)作是否與要求的控制規(guī)律一致；實(shí)踐環(huán)節(jié)如課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)課題著重于PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。因此，PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要選擇對(duì)編程訓(xùn)練具有典型意義的控制對(duì)象。由于這些控制對(duì)象通常為實(shí)際工業(yè)對(duì)象，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，代價(jià)高，維護(hù)困難，有的還有一定的危險(xiǎn)性，因而近年來PLC實(shí)驗(yàn)中采用虛擬仿真對(duì)象已成為一個(gè)趨勢(shì)[3]。

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集和過程控制的常用軟件，是控制系統(tǒng)監(jiān)控層的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境[4]。本文以組態(tài)軟件為開發(fā)工具，全真模擬PLC的控制對(duì)象，開發(fā)了可用于PLC教學(xué)和科研的虛擬對(duì)象。將開發(fā)出的虛擬對(duì)象用于南通大學(xué)的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，更增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[5]。

1 虛擬對(duì)象的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)圖

以PLC實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件為基礎(chǔ)，硬件結(jié)構(gòu)為三菱FX2N-48MR型PLC+研華PCI1756板卡+搭載Win7 64位操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，如圖1所示。

圖1 虛擬對(duì)象的硬件結(jié)構(gòu)圖

在計(jì)算機(jī)中使用多路數(shù)字I/O卡（PCI1765），接口卡驅(qū)動(dòng)程序把接口卡硬件和虛擬對(duì)象軟件連接起來，計(jì)算機(jī)中的虛擬對(duì)象軟件驅(qū)動(dòng)該卡的I/O點(diǎn)，將對(duì)控制對(duì)象的控制信號(hào)以及反映控制要求和控制情況的輸出信號(hào)表現(xiàn)、傳遞出來；PLC的輸入、輸出信號(hào)通過與這塊卡的I/O點(diǎn)相物理連接，獲得對(duì)象的控制要求和控制情況并對(duì)對(duì)象發(fā)出控制信號(hào)。這樣就實(shí)現(xiàn)了PLC與“虛擬對(duì)象”之間的信號(hào)互動(dòng)，使其真正成為一個(gè)可控的對(duì)象。從這個(gè)意義上講，虛擬對(duì)象軟件、帶有虛擬對(duì)象軟件的計(jì)算機(jī)以及該I/O卡就組成了一個(gè)可以被PLC控制的“虛擬對(duì)象”。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)圖

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次來劃分，虛擬對(duì)象由3部分組成：虛擬對(duì)象界面部分、后臺(tái)控制軟件部分以及I/O卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件部分。其軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 虛擬對(duì)象的軟件結(jié)構(gòu)圖

虛擬對(duì)象界面部分，形成虛擬對(duì)象軟件的工作界面，其支撐軟件為組態(tài)軟件的畫面構(gòu)成構(gòu)件；實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，I/O卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)中的虛擬對(duì)象軟件對(duì)該卡I/O卡的驅(qū)動(dòng)，對(duì)控制對(duì)象的控制信號(hào)以及反映控制要求和控制情況的輸出信號(hào)表現(xiàn)、傳遞出來。其支撐軟件為組態(tài)軟件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件；實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的后臺(tái)控制軟件，實(shí)現(xiàn)PLC控制程序經(jīng)I/O卡驅(qū)動(dòng)下，對(duì)虛擬對(duì)象畫面中各虛擬設(shè)備、物體的控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)PLC程序?qū)μ摂M對(duì)象的控制、操作。其支撐軟件為組態(tài)軟件的控制策略構(gòu)件。演示狀態(tài)下，僅由后臺(tái)控制軟件控制界面上的虛擬設(shè)備、物體的運(yùn)動(dòng)或變化，其支撐軟件也為組態(tài)軟件的控制策略構(gòu)件。

2 虛擬對(duì)象的設(shè)計(jì)舉例

依據(jù)上述方法，開發(fā)了門架式機(jī)械手、電梯、洗衣機(jī)、十字路口交通燈等十幾個(gè)虛擬對(duì)象。這里以洗衣機(jī)為例，介紹該虛擬仿真對(duì)象的開發(fā)過程。

2.1 控制要求

初始狀態(tài)下，按下電源鍵，系統(tǒng)默認(rèn)處于自動(dòng)運(yùn)行模式下的待機(jī)狀態(tài)。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，工序圖如圖3所示。

圖3 洗衣機(jī)自動(dòng)模式下的工序圖

初始狀態(tài)下，按下電源鍵，再按下自動(dòng)/手動(dòng)切換按鈕，系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行模式下的待機(jī)狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，工序圖如圖4所示。

圖4 洗衣機(jī)手動(dòng)模式下的工序圖

2.2 I/O分配

結(jié)合控制要求，對(duì)洗衣機(jī)的輸入/輸出進(jìn)行分配，如表1所示。

表1 洗衣機(jī)虛擬對(duì)象的I/O分配表

2.3 洗衣機(jī)虛擬對(duì)象的設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面設(shè)計(jì)：結(jié)合洗衣機(jī)虛擬對(duì)象的控制要求，監(jiān)控界面包括操作面板、內(nèi)筒、波盤、水管4個(gè)部分，具體如圖5所示。

圖5 洗衣機(jī)虛擬對(duì)象整體監(jiān)控界面

數(shù)據(jù)詞典設(shè)計(jì)：洗衣機(jī)虛擬對(duì)象需要用到的變量類型主要包括內(nèi)存整型、內(nèi)存離散和I/O離散3種。分別對(duì)用于演示和實(shí)驗(yàn)畫面的變量進(jìn)行定義。

動(dòng)畫連接設(shè)計(jì)：在完成界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)詞典設(shè)計(jì)后，必須進(jìn)行合理的動(dòng)畫連接設(shè)置才能實(shí)現(xiàn)需要的動(dòng)畫效果。在洗衣機(jī)虛擬對(duì)象中，需要進(jìn)行動(dòng)畫連接的對(duì)象有按鈕、指示燈、內(nèi)筒、波盤、管道等。

命令語言設(shè)計(jì)：洗衣機(jī)虛擬對(duì)象的演示和實(shí)驗(yàn)畫面均需進(jìn)行命令語言的設(shè)計(jì)。

PLC程序設(shè)計(jì)：PLC程序重在檢驗(yàn)虛擬對(duì)象實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下是否可以按照控制要求進(jìn)行正確運(yùn)行。

2.4 洗衣機(jī)虛擬對(duì)象的調(diào)試

2.4.1 演示畫面的調(diào)試

利用組態(tài)軟件完成演示畫面的設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行畫面的調(diào)試以檢驗(yàn)控制過程及結(jié)果正確與否，其調(diào)試流程如圖6所示。

圖6 洗衣機(jī)虛擬對(duì)象演示畫面調(diào)試流程圖

演示畫面的調(diào)試主要是對(duì)畫面中的動(dòng)畫連接的調(diào)試以及所編寫的命令語言的調(diào)試。在進(jìn)行了一個(gè)或多個(gè)圖形對(duì)象的動(dòng)畫連接后，需要進(jìn)行一定的命令語言的編寫，以驗(yàn)證能否通過命令語言來進(jìn)行圖形的動(dòng)畫控制。通過逐一調(diào)試，實(shí)現(xiàn)演示畫面中的各種演示效果。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)畫面的調(diào)試

利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)畫面后，需要與PLC進(jìn)行聯(lián)調(diào)以檢驗(yàn)其能否滿足實(shí)驗(yàn)控制要求，其調(diào)試流程如圖7所示。

圖7 洗衣機(jī)虛擬對(duì)象實(shí)驗(yàn)畫面調(diào)試流程圖

實(shí)驗(yàn)畫面的調(diào)試主要是檢查組態(tài)畫面能否根據(jù)PLC輸入輸出點(diǎn)的變化而展現(xiàn)相應(yīng)的效果。在進(jìn)行了圖形對(duì)象的動(dòng)畫連接和命令語言的編寫后，進(jìn)入到運(yùn)行系統(tǒng)，使PLC運(yùn)行，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)畫面能否和PLC程序配合使用。

2.5 洗衣機(jī)虛擬對(duì)象的整體運(yùn)行

借助組態(tài)王軟件，完成了洗衣機(jī)虛擬對(duì)象的演示功能，可以在單機(jī)模式下進(jìn)行洗衣機(jī)控制要求中所有功能的演示；完成了實(shí)驗(yàn)畫面的調(diào)試，學(xué)生可編寫PLC程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制，達(dá)到了PLC實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)需求。

3 結(jié)語

本文將組態(tài)軟件應(yīng)用到實(shí)際的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開發(fā)出的洗衣機(jī)虛擬對(duì)象不僅可以真實(shí)直觀地展現(xiàn)實(shí)際被控對(duì)象的工作過程，又可以提升和訓(xùn)練學(xué)生的PLC編程能力和動(dòng)手能力。

除此之外，還實(shí)現(xiàn)了門架式機(jī)械手、電梯等多種被控對(duì)象工作過程的實(shí)時(shí)控制和圖像監(jiān)控，有效地解決了PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)備昂貴、維護(hù)成本高、場(chǎng)地空間有限等問題，為這些對(duì)象在工業(yè)生產(chǎn)中的智能化控制提供了很好的參考價(jià)值。