可編程控制器課程實踐環(huán)節(jié)的改革與探索

申曉寧 張衛(wèi)國

摘 要：可編程控制器（PLC）是自動化專業(yè)一門實踐性很強的必修課程。該文基于昆侖工控組態(tài)軟件MCGS，探討了在上位機上模擬實現(xiàn)PLC控制對象的方法，并由此搭建了實現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的課程實踐平臺。以垂直升降式立體車庫控制系統(tǒng)為例，給出了平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架、監(jiān)控畫面、實時數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)對象的建立方法、PLC與組態(tài)仿真軟件的通訊設置方法等。

關鍵詞：PLC 組態(tài)軟件 實踐平臺 立體車庫

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（c）-0118-04

可編程控制器（PLC）是以微處理器為基礎的新型工業(yè)控制裝置，是將計算機技術應用于工業(yè)控制領域的通用產(chǎn)品，它專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計[1]。“可編程控制器”課程具有很強的實踐性。然而，在當前的課程實驗教學中，存在以下問題：（1）實驗裝置上的控制對象種類較少，缺乏可擴展性，研究局限性大。例如：該學院采用的是浙江求是科教設備有限公司開發(fā)的QSPLC系列可編程控制模擬實驗裝置，模擬控制對象包括噴泉、數(shù)碼顯示、舞臺燈光、交通燈、機械手、四層電梯等。當因教學或科研需求要研究其它種類的實際控制對象時，必須重新購買新的實驗設備，不僅成本高，而且占用較多的空間，難于維護。（2）直觀性較弱。現(xiàn)有PLC實驗平臺多以不同部位發(fā)光二極管的亮滅模擬被控對象的運行，顯示不夠生動直觀。（3）系統(tǒng)缺乏監(jiān)控界面，無法實現(xiàn)人機交互操作，不能動態(tài)顯示對象的狀態(tài)和存儲數(shù)據(jù)。

組態(tài)軟件能夠快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)，它可以從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、具有實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能，因此，能夠為用戶提供解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺。組態(tài)軟件具有操作簡便、二次開發(fā)周期短、通用性強的特點[2]。該文基于MCGS6.2組態(tài)軟件通用版，使用計算機模擬各類實際被控對象，通過建立PLC與計算機的通訊，搭建PLC控制系統(tǒng)實驗平臺。將該實驗平臺應用于有關PLC的實踐教學和科研工作中，能夠彌補上述現(xiàn)有PLC實驗設備的不足，大大降低實驗成本，增強系統(tǒng)的可擴展性，如果需要新增被控對象，只需進行簡單的軟件操作，同時能夠?qū)崿F(xiàn)友好的實時監(jiān)控界面，生動直觀地顯示出對象的當前狀態(tài)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于組態(tài)軟件的PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖1可見，在計算機內(nèi)安裝的PLC編程軟件上編寫梯形圖，并下載入PLC。在計算機的組態(tài)軟件MCGS中創(chuàng)建一個模擬被控對象的工程，設置通訊接口，運行PLC內(nèi)的梯形圖，同時進入MCGS的運行環(huán)境，操作監(jiān)控界面上的按鈕等圖形對象，即可實現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的組態(tài)仿真控制。

1.2 PLC的選型

經(jīng)過多方調(diào)研，學院購買了三菱FX2N-48MR系列PLC。它的控制單元輸入輸出點個數(shù)分別為24個。它具有速度快、高功能的邏輯選擇與定位控制等特點，適用于在多個基本組件間的連接、模擬控制、定位控制等特殊用途。程序容量為內(nèi)置800步RAM（可輸入注釋），最大可擴充至16K步。

1.3 開發(fā)軟件的選擇

PLC編程軟件使用GX Works2。它是三菱電機推出的三菱人機界面全系列編程軟件，是專用于PLC設計、調(diào)試、維護的編程工具。與傳統(tǒng)的GX Developer軟件相比，GX Works2的功能更加全面，操作性能更佳，且變得更加容易實用。

組態(tài)軟件采用MCGS 6.2通用版，與其他組態(tài)軟件相比，它擁有很多特別突出的特點，例如：可靠性高、可視化效果好，簡單易學，綜合性能比較好等，因此，在鋼鐵工業(yè)、電力工業(yè)、石油化工工業(yè)、水處理工業(yè)等領域已經(jīng)成功地被應用，經(jīng)過長期的現(xiàn)場實際運行，充分體現(xiàn)了MCGS系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，效果顯著[3]。

MCGS的軟件系統(tǒng)具有兩個部分：組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境。組態(tài)環(huán)境就像一套完整的工具軟件，用戶可以在此環(huán)境下對自己要實現(xiàn)的仿真進行設計，對自己的組態(tài)工程進行構(gòu)建。運行環(huán)境是根據(jù)在組態(tài)環(huán)境里設計的組態(tài)工程按用戶的要求和設計目標運行，并可以直觀地看到運行效果。組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境關系圖如圖2所示[3]。

2 系統(tǒng)設計舉例

以垂直升降式立體車庫PLC控制系統(tǒng)為例，介紹系統(tǒng)的實現(xiàn)方法和系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能。

系統(tǒng)的設計步驟如下。

（1）分析控制要求及功能要求。該垂直升降式立體車庫提供存車、取車兩種功能。其中，存車控制流程圖如圖3所示，取車過程與圖3存車過程相反，此處略寫。

（2）根據(jù)設計中的I/O端口點數(shù)確定I/O設備；并合理分配I/O點。該系統(tǒng)確定輸入端口有22個，輸出端口有18個。

（3）在GX Works2中設計梯形圖程序。

（4）進入MCGS組態(tài)環(huán)境新建工程。

（5）設計登錄歡迎界面。

（6）創(chuàng)建垂直升降式立體車庫的組態(tài)畫面，如圖4所示。添加所需元件并設置其相應的屬性，包括動畫屬性、按鈕動作屬性等。設置元件屬性要注意前后的邏輯關系，有些運動控制變量是重復的，需要加一些輔助繼電器作為中間變量以區(qū)分重復過程。

（7）在實時數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)對象，如圖5所示。步驟（6）實現(xiàn)的只是一個靜態(tài)界面，需要通過在實時數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)對象，以顯示各元件的運動狀態(tài)。在設置屬性時，可以定義動作類型，并設置它的參數(shù)。需要注意的是，監(jiān)控畫面中的每一個元件都要設置相應的連接對象，且保存在實時數(shù)據(jù)庫中。

（8）設置PLC與MCGS組態(tài)界面的通訊連接。首先在設備窗口選中設備組態(tài)，雙擊進入，右擊選中設備工具箱，點擊設備管理，進入可選設備列表。分別添加通用串口父設備和三菱FX系列編程口，并設置設備屬性。注意選擇FX2N—CPU，設備地址為2。將組態(tài)畫面的元件與實際的輸入輸出口通訊連接起來，圖6給出了部分通道設置的示意圖。

（9）進入MCGS的運行環(huán)境。

（10）進行模擬仿真，檢查程序的正確性，并對系統(tǒng)進行整體調(diào)試。將在GX Works2中編寫好的梯形圖導入PLC，并將與組態(tài)MCGS的通訊連接起來。PLC的運行結(jié)果通過組態(tài)畫面實時顯示出來，用戶可根據(jù)動畫的當前狀態(tài)反復調(diào)試梯形圖中存在的錯誤和問題，直到系統(tǒng)實現(xiàn)所有的控制要求為止。

除了立體車庫以外，還設計開發(fā)了基于PLC控制的自助洗車房、投幣式自動洗衣機、五層電梯、電子密碼鎖、常壓式農(nóng)藥灌裝生產(chǎn)線等多種MCGS監(jiān)控系統(tǒng)。該PLC實驗方法通用性強，省時省力。對于同一被控對象，如果控制要求發(fā)生改變，只需相應地修改梯形圖；對于新的被控對象，只需在組態(tài)軟件上設計組態(tài)動畫，并編寫相應的梯形圖，大大降低了控制系統(tǒng)調(diào)試的成本和風險，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率和安全性，且系統(tǒng)后期的維護代價也很低。此外，動畫顯示的方式生動直觀，系統(tǒng)的硬件連線很少，與傳統(tǒng)PLC實驗平臺相比，組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能夠取得更好的仿真效果，實用性更強。

3 結(jié)語

PLC課程實踐環(huán)節(jié)的教學改革已經(jīng)1年，從對學生的調(diào)研和反饋可以看出，該實驗平臺操作簡便，學生很容易上手，對被控對象狀態(tài)的表現(xiàn)形式生動靈活，學習效果好，能夠有效地提高學生綜合運用專業(yè)理論知識和獨立分析、解決問題的能力。另一方面，從教師教學角度來看，通過組態(tài)軟件模擬被控對象，能夠極大地豐富實踐教學內(nèi)容，減少系統(tǒng)開發(fā)和維護成本，對教師傳授理論課程也起到了促進作用。此外，還可以將該實驗平臺的開發(fā)，作為學生畢業(yè)設計或課外科研項目的課題，做出的成果經(jīng)過完善后可以直接應用于PLC的課堂實踐教學中。

參考文獻

[1] 廖常初.可編程序控制器應用技術[M].5版.重慶：重慶大學出版社，2007.

[2] 袁云龍.組態(tài)軟件在PLC實驗系統(tǒng)中的應用[J].實驗室研究與探索，2014，33（4）：129-137.

[3] 吳作明.工控組態(tài)軟件與PLC應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.