組態軟件在實驗教學中的應用

封定國

摘要:本文分析了目前自動化專業職業教育實驗教學中存在的問題,進而提出了采用組態軟件編制仿真實驗系統的對策。以水塔水位的PLC控制實驗為例,介紹了MCGS監控程序的開發過程及其在自動化專業實驗教學中的應用。

關鍵詞:組態軟件;實驗教學;自動化

自動化專業職業教育是一門“設備依賴性強”,與經濟發展非常密切的教育。當前我國對該專業的技能型人才需求量非常大,但其目前也面臨著嚴峻的挑戰:職教學校的實訓設備不足、型號落后,更重要的是如何在條件有限的情況下根據自身需求對現有實訓設備進行充分利用與升級改造,以滿足教學的要求。

當前自動化專業技能實訓教學中,大部分學校的實訓教學是通過購買教學設備廠家的模擬實驗板或者廠商開發的仿真軟件進行模擬(仿真)實驗教學來實現的。

目前最常用的是模擬實驗板(以PLC水塔水位控制實驗為例)——利用開關和發光二極管來模擬水箱水位控制的動作過程。該方式優點是價格便宜,但是模擬方式很呆板,不能模擬實時的水箱水位控制過程,模擬效果很差,學生直觀感受很差,教學效果很難保證。

另一種方式是直接購買教學設備廠商開發出的一些仿真軟件,但這些仿真軟件往往是隨成套設備“贈送”的,價格昂貴。這種解決方案優點是學校方面比較省事,但是缺點也很明顯,價格昂貴,更重要的是教師在實際應用中很難根據教學和行業的特殊要求對軟件進行再開發。也有學校組織教師利用FLASH等軟件開發仿真軟件,但是這類仿真軟件往往只能解決讓學生理解設備動作過程的問題,并不能與PLC以及變頻器等工業設備進行通訊(例如:不能讓學生對PLC編程,用PLC控制FLASH動畫動作,方便程序調試)。自編軟件與PLC、變頻器以及觸摸屏等設備進行通訊并實現編程調試,將是一項非常龐大的工作,具有較高的實施難度,不是一般的自動控制專業的教師所能獨立完成的工作。

一、采用組態軟件編制仿真實驗系統

教師們面對教學設備廠商“贈送”的教學仿真軟件時往往非常無奈:教學設備采購資金缺乏,自編軟件能力有限等。有沒有辦法在降低資金投入和設計難度的前提下開發出適應專業教學要求的仿真實驗系統呢?利用組態軟件,自動控制專業專職教師也可以開發出適應教學需要的仿真實驗系統。

組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件,它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境,使用靈活的組態方式,為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。組態軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協議,并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能。

組態軟件目前主要集中應用在工業現場監控方面。但是,組態軟件本身具有以下特點:①提供了大量的繪圖工具和基礎圖符,省去了在類似FLASH等軟件上的基本元件的構圖過程,同時組態軟件本身具有與工業設備通訊的能力。②組態軟件可以直接從其官方網站下載。軟件本身有一小段無限制試用時間(例如:MCGS組態軟件有30分鐘無限制使用時間——組態開發過程所用時間不計)對教學應用來說是完全開放的。③組態軟件目前的應用也越來越廣泛,是自動控制專業教師和學生需要學習的一個內容。基于該軟件平臺的開發過程在難度上并不太大,學生在應用基于組態軟件開發的仿真系統時也是在學習組態軟件的應用,可以說是一舉多得?；谝陨侠碛?可以說組態軟件是非常優秀的仿真實驗系統開發平臺。

二、利用MCGS組態軟件編程的實例分析

當前市場上常用的組態軟件有Wonderware的InTouch軟件、Intellution公司的Fix組態軟件、CiT公司的Citech、Simens的WinCC、組態王、華富計算機公司的Controx2000、大慶三維公司的ForceControl(力控),還有GE的Cimplici- ty,Rockwell的RsView,NI的LookOut,PC- Soft的Wizcon以及昆侖通態的MCGS等。MCGS組態軟件是由北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司開發的一款工業組態軟件。下面以MCGS組態軟件通用版為例開發一個水塔水位控制系統的仿真實驗系統。

1.設計監控界面

在MCGS組態平臺上,創建“水塔水位PLC自動控制系統”用戶窗口,單擊“動畫組態”,進入動畫制作窗口。利用組態工具,繪制“水塔水位PLC自動控制系統”實驗監控界面(見圖1)。

2.定義數據變量

實時數據庫是MCGS工程的數據交換和數據處理中心。數據變量是構成實時數據庫的基本單元,建立實時數據庫的過程也就是定義數據變量的過程。定義數據變量的內容主要包括:指定數據變量的名稱、類型、初始值和數值范圍,確定與數據變量存盤相關的參數,如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等(見圖2)。

3.動畫連接

由圖形對象搭制而成的圖形界面是靜止不動的,需要對這些圖形對象進行動畫設計,真實地描述外界對象的狀態變化,達到過程實時監控的目的。MCGS實現圖形動畫設計的主要方法是將用戶窗口中圖形對象與實時數據庫中的數據對象建立相關性連接,并設置相應的動畫屬性。在系統運行過程中,圖形對象的外觀和狀態特征,由數據對象的實時采集值驅動,從而實現圖形的動畫效果。

4.MCGS與PLC的連接設備窗口

MCGS與PLC的連接設備窗口是MCGS系統的重要組成部分,負責建立系統與外部硬件設備的連接,使得MCGS能從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態,實現對工業過程的實時監控。在MCGS組態軟件開發平臺上,單擊“設備窗口”,再單擊“設備組態”按鈕進入設備組態。在“設備工具箱”中,選中“串口通訊父設備”和“三菱FX-232”,加到右面已選設備并分別設置兩者的屬性。

5.編制循環策略

在“運行策略”中,雙擊“循環策略”進入,雙擊圖標進入“策略屬性設置”,把“循環時間”設為100ms,按“確定”。雙擊進入腳本程序編輯環境,程序如下:

******液位模擬程序********

if 水泵=1 then

液位1=液位1+0.5

endif

if 調節閥=1 then

液位1=液位1-0.05

液位2=液位2+0.1

endif

if 出水閥=1 then

液位2=液位2-0.03

endif

**********報警設置*********

!setalmvalue (液位1,液位1上限,3)

!setalmvalue (液位1,液位1下限,2)

!setalmvalue (液位2,液位2上限,3)

!setalmvalue (液位2,液位2下限,2)

*************水位報警設置****

if 液位1>=液位1上限then

S1=1

else

S1=0

endif

if 液位1=<液位1下限then

S2=1

else

S2=0

endif

if 液位2>=液位2上限then

S3=1

else

s3=0

endif

if 液位2=<液位2下限then

s4=1

else

s4=0

endif

**********輸入處理*******

在菜單項“文件”中選“進入運行環境”或直接按“F5”或直接按工具條中圖標,都可以進入運行環境。

利用MCGS開發的水塔水位控制實驗系統動畫可分為兩種:其一為演示界面,不與PLC連接,只要用鼠標點擊界面上相關選擇按鈕,通過編好的MCGS腳本程序控制進水和出水,目的是讓學生在實驗前了解控制要求和實際的運行流程,為編制實驗程序奠定基礎;其二是監控界面,使用時學生操作實驗模塊上的控制按鈕,啟動自己編寫的PLC程序,根據PLC程序的執行情況控制電機和閥門對水塔水位進行調節,可以直觀地看到自己編寫的控制程序的運行效果是否符合控制要求。

基于組態軟件的模擬系統(例:機械手控制考核系統——如圖3所示)也可以應用于實訓教學的考核過程中,在實際的實訓考核過程中能收到較好的效果,受到相關專家評委的好評。

通過實踐教學,證明基于組態軟件平臺開發自動控制專業技能實訓教學系統是非常合適而且是切實可行的,既能降低教學成本,又能提高教學效果。組態軟件除了可應用于PLC實訓教學外,還可利用其特點,將其與PLC、變頻器、觸摸屏、伺服系統等設備聯系起來,自由組合或者進行綜合性教學?；诮M態軟件的可擴展性,任課教師可以利用組態軟件組合設計適合教學要求的一體化教學系統。

參考文獻:

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