QTouch組態(tài)技術(shù)在PLC教學(xué)項(xiàng)目中實(shí)踐

江漢大學(xué)智能制造學(xué)院 李 鵬 蔡利民 王 莉

針對(duì)高校PLC課程教學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)踐應(yīng)用方面存在的問(wèn)題，提出了將新型QTouch組態(tài)技術(shù)與PLC技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)模式，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)基于QTouch的交通燈試驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。通過(guò)QTouch組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，編寫時(shí)序邏輯控制及數(shù)據(jù)記錄等功能，搭建PLC外圍硬件接線，并進(jìn)行人機(jī)交互界面測(cè)試與指示燈狀態(tài)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，該實(shí)驗(yàn)很好解決好了PLC的可視化問(wèn)題，提升教學(xué)效果，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提升了QTouch組態(tài)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中對(duì)于軟件要求越來(lái)越高，為了體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性、實(shí)踐性，讓學(xué)生能夠直觀的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化，新型的實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要可視化，提升學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的直觀性，將組態(tài)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與探索。

PLC技術(shù)是本科高校及高職學(xué)校的一門重要專業(yè)課程，也是一門綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課，目前高校在PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中大多采用PLC自帶的編程軟件進(jìn)行內(nèi)存單元數(shù)據(jù)監(jiān)視功能，在數(shù)據(jù)的顯示、軟件調(diào)試方面不夠智能化，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中感覺(jué)方法的枯燥及乏味，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不高。隨著組態(tài)技術(shù)的發(fā)展，解決了此類問(wèn)題，組態(tài)軟件具備動(dòng)畫構(gòu)造、對(duì)象關(guān)聯(lián)、曲線分析等優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)對(duì)象要求設(shè)計(jì)模擬現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)畫。實(shí)驗(yàn)學(xué)生能直觀的體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，查閱設(shè)備內(nèi)存單元數(shù)據(jù)變化過(guò)程，提升學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的直觀性的理解，加深學(xué)生對(duì)課程的興趣度，提升教學(xué)質(zhì)量。

本文以QTouch組態(tài)技術(shù)與PLC控制技術(shù)相互結(jié)合，設(shè)計(jì)一項(xiàng)基于QTouch的智能交通系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面、搭建了硬件調(diào)試環(huán)境，完成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)綜合性應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程，從單一知識(shí)應(yīng)用到多種技術(shù)組合的實(shí)驗(yàn)方式，極大的提升了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，加大了學(xué)生對(duì)軟硬件聯(lián)合調(diào)試技術(shù)，也提升PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)。

1 QTouch組態(tài)技術(shù)簡(jiǎn)介

QTouch組態(tài)軟件是一種跨平臺(tái)的組態(tài)軟件、該軟件具有跨平臺(tái)和統(tǒng)一工作平臺(tái)特性，可以跨越多個(gè)操作系統(tǒng)，如unix、linux、windows等。QTouch組態(tài)集成了設(shè)備通信、圖形界面、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邏輯處理等四大自動(dòng)化應(yīng)用，軟件建立了與多種型號(hào)的PLC、傳感器、單片機(jī)及智能儀表的驅(qū)動(dòng)連接。提供多種的通信方式，可提供二次開(kāi)發(fā)環(huán)境條件，該組態(tài)軟件針對(duì)高校自動(dòng)化、測(cè)控等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠有力的提升該專業(yè)的綜合能力，在現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)采用三菱的FX2N系列PLC作為邏輯控制器，QTouch組態(tài)技術(shù)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其總體框圖設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)、PLC控制及LED交通燈顯示。

（1）上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，采用QTouch組態(tài)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)可視化交通燈界面，按功能分為不同的子界面；利用QTouch自帶的cEditor和JS腳本編程環(huán)境進(jìn)行邏輯編程及動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)編程；數(shù)據(jù)最后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）PLC作為核心邏輯控制器，主要功能是橋連上下位機(jī)數(shù)據(jù)信息，運(yùn)行邏輯控制，完成LED交通燈時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)功能。

（3）LED交通燈，搭建交通燈模擬路口，利用LED的通滅狀態(tài)反應(yīng)當(dāng)前PLC輸出口狀態(tài)量，易于人眼觀察交通時(shí)序變化。

實(shí)驗(yàn)界面接系統(tǒng)搭建，學(xué)生能夠?qū)嶋H動(dòng)手操作軟件、搭建環(huán)境、建立軟硬件間驅(qū)動(dòng)、調(diào)試程序等實(shí)踐操作過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的認(rèn)識(shí)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外部硬件接線圖

系統(tǒng)主控制器主要采用三菱FX2N-64MR型號(hào)的PLC，其接線圖如圖2所示。

（1）輸入口，系統(tǒng)設(shè)置了啟動(dòng)、停止、自動(dòng)、手動(dòng)控制等開(kāi)關(guān)；系統(tǒng)處于手動(dòng)操作時(shí)，系統(tǒng)按照路口開(kāi)關(guān)命令控制燈序。自動(dòng)模式下，通過(guò)軟件時(shí)序邏輯控制路口燈序，硬件接線如圖2-2所示，系統(tǒng)急停開(kāi)關(guān)為常閉按鈕SB0-1控制。

（2）輸出口，系統(tǒng)根據(jù)十字路口的特點(diǎn)，設(shè)置了六個(gè)燈狀態(tài)的控制，采用PLC的輸出口Y0-Y6來(lái)進(jìn)行輸出，為路口燈的控制信號(hào)。

（3）報(bào)警設(shè)置，采用蜂鳴器來(lái)完成該項(xiàng)功能，本系統(tǒng)在邏輯控制中，存在車輛位置重疊或者闖紅燈事件產(chǎn)生，系統(tǒng)進(jìn)行車輛位置檢測(cè)后，產(chǎn)出報(bào)警信號(hào)。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制時(shí)序設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)系統(tǒng)中，交通時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)為紅燈30s，黃燈3s，綠燈27s，主程序設(shè)計(jì)如圖3所示。程序開(kāi)始，系統(tǒng)初始化，完成系統(tǒng)參數(shù)配置，檢測(cè)控制模式按序執(zhí)行控制邏輯。

圖2 PLC硬件接線圖

圖3 系統(tǒng)主流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入自檢，初始化南北紅，東西綠啟動(dòng)，計(jì)時(shí)開(kāi)始，當(dāng)南北紅計(jì)時(shí)20s后，啟動(dòng)紅燈10s倒計(jì)時(shí)，東西綠燈也進(jìn)行倒計(jì)時(shí)7s計(jì)數(shù)，東西綠倒計(jì)時(shí)完成后，啟動(dòng)?xùn)|西黃燈3s倒計(jì)時(shí)，當(dāng)3s倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，剛好同南北紅燈10s倒計(jì)時(shí)同時(shí)結(jié)束，此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)是否有結(jié)束命令，沒(méi)有時(shí)程序繼續(xù)進(jìn)行南北綠，東西紅啟動(dòng)。

3 QTouch監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

本此實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件采用QTouch組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)功能主要包括：QTouch交通燈組態(tài)界面設(shè)計(jì)、腳本邏輯功能編程、軟件測(cè)試等。學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要完成的就是界面設(shè)計(jì)、建立驅(qū)動(dòng)連接、對(duì)象關(guān)聯(lián)，腳本邏輯編寫等實(shí)際操作。

3.1 QTouch組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)主要組態(tài)界面有：系統(tǒng)功能選擇界面，交通燈模擬運(yùn)行界面，系統(tǒng)參數(shù)修改界面，實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)曲線監(jiān)測(cè)界面等界面設(shè)計(jì)。

QTouch工程管理界面如圖4所示，分布有工作區(qū)、工具欄、狀態(tài)欄及顯示區(qū)等。軟件功能主要有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備的選型、實(shí)時(shí)/歷史曲線、腳本程序及驅(qū)動(dòng)監(jiān)視等功能模塊。QTouch編程環(huán)境支持c語(yǔ)言及c++語(yǔ)言程序語(yǔ)句邏輯編程。

3.2 QTouch與PLC的通訊連接

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)入QTouch項(xiàng)目組，點(diǎn)擊通訊設(shè)備，建立FX2nP串口驅(qū)動(dòng)，配置驅(qū)動(dòng)及串口參數(shù)（三菱PLC串口通訊參數(shù)9600,7,1,無(wú)），完成驅(qū)動(dòng)建立如圖5所示。下一步就是參數(shù)關(guān)聯(lián)，進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，點(diǎn)擊增加變量，選擇FX2nP設(shè)備驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)，可以關(guān)聯(lián)PLC內(nèi)存單元，完成數(shù)據(jù)配置及通訊。

3.3 智能交通運(yùn)行界面

交通燈運(yùn)行交互界面如圖6所示，主要組態(tài)了模擬交通路況，模擬車輛，模擬交通燈等。完成了東西南北道路模擬、車道上的車輛、行人及信號(hào)燈等對(duì)象進(jìn)行組態(tài)。設(shè)置自動(dòng)及手動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)控制按鈕，手動(dòng)控制面板及車流量計(jì)等功能。

4 調(diào)試結(jié)果與分析

圖4 QTouch工程管理設(shè)計(jì)界面

圖5 QTouch與PLC通訊配置

圖6 十字路交通燈模擬運(yùn)行界面

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中采用逐級(jí)調(diào)試與模擬實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)，通過(guò)不斷的修改系統(tǒng)的控制參數(shù)，完善其控制效果。系統(tǒng)的硬件測(cè)試主要包括測(cè)試PLC的輸入、輸出，QTouch組態(tài)界面軟件功能的測(cè)試。

QTouch人機(jī)界面測(cè)試結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行模式，交通燈時(shí)序按預(yù)定時(shí)序進(jìn)行變化；汽車運(yùn)行按規(guī)則穿行，南北向綠燈，汽車通行，東西向車輛等待，南北向紅燈，汽車等待，東西向綠燈，汽車通行，車輛通行方向設(shè)計(jì)了模擬的車流量計(jì)；PLC執(zhí)行的輸出I/O按照系統(tǒng)預(yù)定時(shí)序進(jìn)行輸出，QTouch組態(tài)界面顯示對(duì)象狀態(tài)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能要求。

總結(jié)：本文設(shè)計(jì)了QTouch的組態(tài)軟件與PLC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，采用QTouch的可視化、動(dòng)畫特效、腳本語(yǔ)言等友好的人機(jī)交互設(shè)計(jì)功能，完成了PLC的邏輯控制，模擬燈狀態(tài)輸出，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。本文采用組態(tài)界面顯示，減少了外部硬件設(shè)備的電路，節(jié)約硬件成本，豐富了PLC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

通過(guò)QTouch技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，極大的提升了學(xué)生對(duì)PLC課程的學(xué)習(xí)興趣，并且掌握了對(duì)QTouch組態(tài)技術(shù)的應(yīng)用技巧，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)知識(shí)界面，提升了PLC技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)能力，具有一定的教學(xué)意義，并且該軟件具備二次開(kāi)發(fā)性能，可用于PLC教學(xué)中的多種設(shè)備試驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)。