“可編程序控制器原理及其應用”課程試驗教學軟件的研制

劉建偉　羅雄麟

摘要:本文在原有的TVT-90硬件和軟件實驗系統基礎上,用組態軟件實現“可編程序控制器原理及其應用”試驗的動態模擬和仿真,在計算機上實現實驗過程的動畫仿真,使學生在實驗過程中可以進行與生產過程的交互模擬,反復驗證自己的程序設計過程是否正確,并且理解真實的生產裝置的控制過程。

關鍵詞:可編程序控制器;實踐教學;動態的模擬

中圖分類號:G642文獻標識碼:A

1引言

“可編程序控制器原理及其應用”課程教學過程中,學生普遍反映,雖然學習了可編程序控制器基本指令及各種基本的程序邏輯回路設計,掌握了可編程序控制器的基本硬件配置、選型、程序設計原理知識。但是,做了幾個試驗后,由于原有的TVT-90硬件和軟件實驗系統的實驗裝置無法模擬動態的順序控制和生產流程,程序中的邏輯控制過程無法和真實裝置的狀態聯系起來,無法把程序的抽象符號和邏輯與真實的生產過程或流程聯系起來,學生對可編程序控制器程序的實際應用場景和應用過程仍然模糊。致使課程的教學效果大打折扣。因而改進本課程的試驗教學,使程序動起來,使學生體會到真實的生產流程與可編程序控制器程序的邏輯對應關系十分必要,對于改進教學效果是至關重要的。

本文提出在原有的TVT-90硬件和軟件實驗系統基礎上開發一個計算機軟件輔助系統,該計算機軟件輔助系統與原有的硬件和軟件實驗系統結合,更好地實現課程實驗過程。計算機輔助系統對“可編程序控制器原理及其應用”的試驗過程進行動態模擬和仿真,在計算機上實現實驗對象和實驗過程的動畫仿真,使學生在做實驗時,可對實驗的順序過程或工藝過程進行動態控制,反復驗證自己的程序設計過程是否正確,并且理解實際的生產裝置的控制過程。

2組態軟件實現試驗過程的動態模擬

我們使用力控組態軟件實現試驗過程的動態的模擬。下面詳細介紹利用力控組態軟件實現交通燈自控動態模擬仿真設計的過程,其余的各試驗與交通燈自控類似,不再詳述。

在力控組態軟件中要創建一個新的應用程序工程,首先為該應用程序工程指定工程路徑,不同的工程不能使用同一工程路徑,工程路徑保存著力控組態軟件生成的組態文件,它包含了區域數據庫、設備連接、監控畫面、網絡應用等各個方面的開發和運行信息。組態的一般過程是:繪制圖形界面、創建數據庫、配置I/O設備并進行I/O數據連接、建立動畫連接、運行及調試。

2.1創建組態界面

進入開發系統后,可以為每個工程建立無限數目的畫面,在每個畫面上可以包含組態相互關聯的靜態或動態圖形,這些畫面是由開發系統提供的豐富的圖形對象組成的。

(1) 創建新畫面

進入開發環境Draw后,首先需要創建一個新窗口。選擇“文件[F]/新建”命令出現“窗口屬性”對話框,輸入流程圖畫面的標題名稱,命名為“交通燈控制”。單擊按鈕“背景色”,出現調色板,選擇其中的一種顏色作為窗口背景色。其他的選項可以使用缺省設置。

(2) 創建圖形對象與組態交通燈控制系統

現在,在屏幕上有了一個窗口,還應看見Draw的工具箱。利用工具箱中提供的繪圖工具畫出所需的監控畫面,步驟如下:

① 創建監控畫面背景:單擊力控組態軟件窗口右側工具欄中的“常用組件”,再選中“常用組件”中的“位圖”組件。在(1)中新建的畫面上的任意處單擊,出現“位圖”加載對話框,選擇正確的路徑將“交通燈控制系統監控畫面背景圖”加載到“交通燈控制”畫面中,單擊“打開”按鈕完成加載。

② 創建交通燈圖形對象:單擊力控組態軟件的“擴展工具欄”中的“選擇圖庫”按鈕,在彈出的“圖庫”對話框左側的目錄欄中選擇所需的目錄“報警燈”,然后雙擊右側的圖標,被雙擊的圖標將會顯示在(1)中新建的畫面“交通燈控制”畫面的左上角,采用相同的方法創建其余的交通信號燈,如圖1所示。

在(1)中新建的畫面上的任意處按下鼠標左鍵,然后拖動鼠標,直到出現自己所需的交通信號燈圖形,用同樣的方法創建其余的交通信號燈。選中創建的圖形對象,單擊鼠標右鍵,然后選擇“對象屬性”進行圖形對象的“靜態”屬性設置,可以設置位置大小、背景顏色、邊線顏色、圖層、線寬等。

用上述方法創建“交通燈控制”畫面所需的全部圖形對象,創建過程中盡量使用力控組態軟件自身提供的圖元,用戶也可以創建具有獨特功能或者具有自己風格的圖元,然后封裝成標準圖元,添加到圖元庫中,下次使用時就可當作標準圖元使用。

③ 創建按鈕:我們要用幾個按鈕來執行啟動設備、停止設備、完成特殊功能的任務。選擇工具箱中的“按鈕”工具■,畫一個按鈕。把按鈕挪到合適的位置并調整好它的大小。按鈕上有一個標志“Text”(文本)。選定這個按鈕,在文本框中輸入“開始”,然后單擊“確認”。用同樣的方法繼續創建“南北急通車”按鈕、“東西急通車”按鈕。

在實驗當中要求用“撥盤寄存器”存放綠燈閃爍的時間,可在編寫梯形圖時用一個字傳送指令將“撥盤寄存器”中存放的值傳送到控制綠燈閃爍的定時器對應的寄存器中?？紤]到現在的側重點是進行上位機的組態,故采用力控組態軟件提供的“游標”來完成上述功能,兩者的區別是在下位機要做的工作改到上位機進行,創建“游標”的步驟與用圖庫創建按鈕的步驟大體一致,不同點在于創建“游標”時選擇“圖庫”左側的“游標”子目錄。

對上述步驟創建的圖元進行合理的布局,在力控組態軟件中得到完整的交通燈控制圖如圖2所示。

至此已經完成了“交通燈控制系統監控畫面”應用程序的圖形描述部分的工作。下面還要做幾件事。這就是定義I/O設備、創建數據庫、制作動畫連接和設置I/O驅動程序。數據庫是應用程序的核心,動畫連接使圖形“活動”起來,I/O驅動程序完成與硬件測控設備的數據通信。

2.3定義I/O設備

I/O設備的通信一般包括:DDE、OPC、PLC、UPS、變頻器、智能儀表、智能模塊、板卡等,這些設備一般通過串口和以太網等方式與上位機交換數據,只有在定義了IO設備后,力控組態軟件才能通過數據庫變量和這些IO設備進行數據交換,定義IO設備的步驟如下:

我們后面要在數據庫中定義幾個與交通燈控制有關的點,但問題是這幾個點的過程值(即它們的PV參數值)從何而來,由于數據庫是從I/O Server(即I/O驅動程序)中獲取過程數據的,所以我們必須要明確這幾個點要從哪一個設備獲取過程數據時,就需要定義I/O設備。

(1) 在Draw導航器中雙擊“I/O設備驅動”項目,在展開項目中選擇“PLC”項并雙擊使其展開,然后繼續選擇“(松下)”并雙擊使其展開后,選擇項目“FP-24(PPI)”。如圖3所示。

(2) 雙擊“FP-24(PPI)”出現“I/O設備定義”對話框,在“設備名稱”輸入框內鍵入一個人為定義的名稱,為了便于記憶,我們輸入“PLC”。接下來要設置PLC的采集參數與站地址,即“數據更新周期”和“超時時間”。在“數據更新周期”輸入框內鍵入50毫秒,在設備地址中鍵入“2”,該地址必須與PLC下位機指定的地址一致。如圖4所示。

(3) 單擊“下一步”按鈕,出現裝備配置第二步對話框,串口的下拉菜單中選“COM1”作為通信口,然后點擊右邊的“設置”按鈕,進行通信參數的配置,設置好以后單擊“保存”按鈕。如圖5所示。

(4) 單擊“完成”按鈕返回,在設備組態畫面的右側增加了一項“PLC”。如果要對I/O設備“PLC”的配置進行修改,雙擊項目“PLC”,會再次出現PLC的“I/O設備定義”對話框。若要刪除I/O設備“plc”,用鼠標右鍵單擊項目“plc”,在彈出的右鍵菜單中選擇“刪除”。

2.4創建實時數據庫

數據庫DB是整個應用系統的核心以及構建分布式應用系統的基礎。在數據庫中,我們操縱的對象是點(TAG),實時數據庫根據點名字典決定數據庫的結構,分配數據庫的存儲空間。在點名字典中,每個點都包含若干參數。一個點可以包含一些系統預定義的標準點參數,還可包含若干個用戶自定義參數。

創建數據庫點的步驟:

(1) 在Draw導航器中雙擊“實時數據庫”項使其展開,在展開項目中雙擊“數據庫組態”啟動組態程序DBManager(如果沒有看到導航器窗口,激活Draw菜單命令“查看/導航器”)。

(2) 啟動DBManager后出現如圖6所示的DBManager主窗口。

(3) 單擊菜單條的“點”選項選擇新建或雙擊單元格,出現“請指定區域、點類型”向導對話框,然后雙擊該點類型,出現“新增:區域0-數字I/O點”對話框,在“點名(NAME)”輸入框內鍵入點名“START”。如圖7所示。

其他參數如量程、報警參數等可以采用系統提供的缺省值。單擊“確定”按鈕返回,在點名單元格中增加了一個點名“START”,按如上所述步驟,創建所需的數字I/O點。

2.5實時數據庫與I/O設備連接

前面創建了一個名為“PLC”的I/O設備,而且它連接的正是我們使用的plc設備?，F在的問題是如何將已經創建的數據庫點與plc中的數據項聯系起來,以使這幾個點的PV參數值能與I/O設備plc進行實時數據交換。這個過程就是建立數據連接的過程。由于數據庫可以與多個I/O設備進行數據交換,所以必須指定哪些點與哪個I/O的哪個數據項設備建立數據連接。如圖8所示。

創建數據庫點鏈接的步驟:

(1) 雙擊數據庫中點START的單元格,選擇“數據連接”選項或雙擊LEVEL所對的“%IOLINK[I/O連接]”單元格,出現的數據庫連接對話框。

(2) 出現PLC的數據連接對話框,單擊增加按鈕,“寄存器地址”選擇“0”,“寄存器類型”指定為“增量寄存器”,然后單擊“確定”按鈕返回,完成該點數據連接的定義,在點START的I/O連接單元格中列出了點START的數據連接項。

(3) 反復進行(1)、(2)步驟,對交通燈監控系統的數據點做相應的處理。

2.6制作動畫連接

現在我們又要回到開發環境Draw中,通過制作動畫連接使圖形在畫面上隨仿真數據的變化而活動起來,制作動畫連接步驟如下:

(1) 制作交通信號燈的動畫連接

雙擊南北方向的紅燈圖元,出現“動畫連接”對話框,因為信號燈在控制系統中僅僅是顏色改變,故選擇“顏色相關動作”欄中“顏色變化”框的“條件”按鈕,在彈出的對話框中進行變量的選擇與條件真、假時顏色的變化的設置。如圖9所示。

(2) 制作車輛圖元的動畫連接

為了在上位機上生動顯示組態的優越性,加入了車輛圖元來仿真實際的十字路口的交通情況?！败囕v”的移動必須借助一個變量來實現,本實驗定義的控制車輛移動的變量是CAR_SN和CAR_EW,而該變量的改變要由主程序來實現,在工程項目欄中“動作”的“應用程序動作”中輸入如下程序:

IF Q3.PV==0&&Q0.PV==1 THEN

//南北方向可以行駛車輛 CAR_EW.PV=0; //初始化東西方向車輛 //倒計時顯示控制 IF VW2.PV<=80 THEN RED.PV=8-(VW2.PV/10); GRE.PV=6-(VW2.PV/10); IF GRE.PV<0 THEN GRE.PV=0; ENDIF ENDIF //南北方向車輛流通控制 IF Q4.PV==0&&GRE.PV<=6 THEN CAR_SN.PV=CAR_SN.PV+60; IF CAR_SN.PV>600 THEN hide(); CAR_SN.PV=0; Show(); ENDIF ENDIF IF Q4.PV==1&&CAR_SN.PV>=60 THEN CAR_SN.PV=CAR_SN.PV+100; BEEP(-1); IF CAR_SN.PV>600 THEN hide(); CAR_SN.PV=0; Show(); ENDIF ENDIF ENDIF

東西方向類似。然后將車輛圖元動畫連接的目標移動與對應的變相連接,便可以實現“車輛”的移動。

2.7用指示燈模擬交通燈控制系統的運行過程

為了顯示上位機對下位機的可操作性,我們可在上位機的組態軟件中定義軟啟動按鈕與PLC中的中間繼電器“相連”,通過對中間繼電器的讀寫來代替現場信號的傳輸,以方便操作。待以上工作都準備好以后,通過改變PPI自身的撥碼開關來改變其工作狀態,達到從連接編程器到連接上位機的改變。在力控組態軟件中運行組態監控程序,得到最終的運行效果圖如圖10所示。

3其他幾個試驗設計結果

對于幾個主要的試驗:交通燈手控與自控、自控成型機、自控軋鋼機,以及水塔水位自動控制,其組態軟件監控畫面如圖11～圖13所示。

4結論

通過組態軟件輔助系統對“可編程序控制器原理及其應用”課程試驗教學的改進,深化了課程建設,提高了教學質量。學生在做實驗時,可通過人機界面對可編程序控制器的程序運行實施動態監控,并可對實驗的順序過程或工藝過程進行動態控制,使學生在實驗過程中可以進行與生產過程的交互模擬,充分掌握課堂教學內容。本科學生經過本課程的學習后,無論是就業還是進入研究生階段繼續深造,均打下良好的基礎。

參考文獻:

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[3] 張運剛,宋小春,郭武強. 從入門到精通——工業組態技術與應用[M]. 北京:人民郵電出版社,2008.

The Development of Teaching Software of the Principle of Programmable Controller and Its Application

LIU Jian-wei, LUO Xiong-lin

(China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Abstract: In this paper, we use configuration software fulfill the dynamic simulation of experiments of “The principle of programmable controller and its application” lesson on the TVT-90 hardware and software experiment system. Animation simulation of experimental procedures in computer made its accessible of interaction of students and production process, students can repeat test the correctness of their program design, and understand true control process of production equipments.

Key words: the programming controller; practical teaching; dynamic simulation