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基于组态王的PLC教学实验仿真系统的实现

发布日期:2018-06-06   来源:《智慧工厂》3期   作者:李军   浏览次数:1493
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【摘   要】:将“组态王”软件应用到PLC教学实验中,在计算机上虚拟仿真PLC的控制对象, 并以四层楼电梯控制系统为例,分析了用组态软件虚拟PLC被控对象的仿真原理,并详细 介绍了仿真系统开发过程的实例。教学实验表明,虚拟的PLC实验系统使学生学习起来更 直观、更容易理解、更容易接受,极大地提高了PLC课程教学的质量和效果。

 关键词:组态王  仿真系统  PLC

Abstract: The "Kingview" software is applied to the PLC teaching experiment to simulate the PLC control object on the computer.

Taking the four-story elevator control system as an example, the simulation principle of the virtual PLC controlled object using the configuration software is analyzed and detailed

An example of a simulation system development process is introduced. Teaching experiments show that the virtual PLC experiment system enables students to learn more

It is intuitive, easier to understand, and more easily accepted, greatly improving the quality and effectiveness of PLC teaching.

Key words: Kingview   Simulation system   PLC

【中图分类号】TP391.92 【文献标识码】文章编号1606-5123201803-0000-00

1 引言

在目前电气类专业教学中PLC课程是主干课程;实践环节是掌握知识、技能的关键;

目前通常采用的实验方法有优点但在成本、灵活性、安全性等方面存在问题;计算机仿真技术,特别是组态软件的出现,可改解决此问题,是对实物实验的很好补充,可提高教学效果;本文主要研究内容就是实验系统的设计与实现。

2 目的意义

当前在很多职业院校开设了可编程序控制器控制技术课程。可编程序控制器PLC是以微处理机为基础并综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,是计算机技术应用于控制领域的新产品,以高可靠性、易操作性、灵活性等优点在现代工业控制领域得到广泛的应用。PLC是一门理论性、趣味性及实践性很强的课程。需要搭建PLC实训室,开设PLC实验课程,而开设PLC实验课需要解决的关键问题是PLC的控制对象。PLC的控制对象可以是实物模型,但它存在成本高、难维护、种类少等不足之处;也可以是用指示灯模拟显示PLC控制对象的实验箱,它与实物模型相比成本较低,不过也存在难维护、种类少、结果观察不直观等缺点。

组态软件是在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发技术。开发人员不需要编制具体的指令和代码,只要利用组态软件包中的工具,通过硬件组态(硬件配置)、数据组态、图形图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作。组态软件具有远程监控、数据采集、数据分析、过程控制等强大功能,还具有二次开发简便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。

如果把组态软件应用到PLC教学实验中,通过计算机全真模拟被控对象,在计算机上对整个PLC控制系统的功能进行模拟调试,在仿真状态中直观地对PLC控制系统程序的错误和缺陷进行检测和修正。应用组态软件不仅可以在计算机屏幕上全真模拟PLC的控制对象可以弥补实验利用实物模型或指示灯的不足,还能以动画形式演示PLC控制对象的工作过程,具有成本低、免维护、灵活多样、形象直观等优点。

从教学意义上说,组态软件可利用有限的设备及多样化的程序丰富学生的实验课内容,增强PLC实验课的教学效果。北京亚控公司推出的“组态王”软件,可用来开发实验室仿真PLC控制对象,其优点是周期短、费用低、可靠性高,能节省电力资源,维护要求较低,不会危及人身和设备安全;同时,其模拟效果逼真,人机界面生动友好,满足为学生开设实验课的需要,能达到很好的实验效果。

3 基于组态王的PLC实验仿真系统

3.1 系统构成

利用“组态王”软件设计PLC仿真控制对象,是指在计算机上运行事先编写好的“组态王”应用程序,用软件来代替硬件(被控对象)的工作,借助计算机屏幕观察控制过程与结果。仿真PLC控制对象的实验系统结构如图1所示。上位机计算机配有“组态王6.5”软件和三菱PLC编程软件FXGPWIN,下位机采用三菱FX2N-64MR型的PLC组态王软件通过RS232C接口与PLC之间进行通信,并监控PLC所有存储器、控制器及I/O接口的状态,以变量值的形式传输到计算机上,供上位机使用、处理。系统构成分别如图1、图2所示。


3.2 系统实现

利用“组态王”软件仿真PLC控制对象。其实现仿真控制的原理在于PLC内部各种继电器的状态与组态软件数据库中数据的链接以及该数据与计算机界面上图形对象的链接。因PLC控制系统实际输出控制时,是通过输出继电器Y和输出模块去驱动外部执行机构的,外界的控制信号和反馈信号通过输入继电器X进入PLC内部。而在仿真运行状态时PLC的输出模块与外界是断开的,输出(继电器Y)信号通过通信线只与组态软件数据库中的数据进行交换,而这些数据又与屏幕(界面)上显示的图形对象有关联。当PLC输出继电器Y的各点状态有变化时,改变了数据库中的数据值,继而使相应的图形对象发生变化,产生我们所要求的模拟实际对象动作的仿真效果。同时,PLC的输入信号也要与数据库的数据进行关联,通过对屏幕上图形对象的鼠标操作,改变与其链接的数据库中的数据,继而改变输入信号。但需注意,根据PLC的工作原理,输入继电器X的状态只能由外部的实际接线输入来改变,其它方法不能改变它的状态值,所以不能通过真正的输入继电器X与数据库的数据进行关联来输入控制信号,而需借用一部分中间继电器M来表示输入继电器X,将其与数据库的数据进行关联并接收输入的信号。因此写入到PLC中程序必须是已经用中间继电器M代替了输入继电器XPLC控制程序。

组态软件仿真对象不仅可以接受多种由PLC发出的如数字、模拟等控制信号,亦可向PLC反馈数字、模拟等各种信号,与PLC进行各种状态数据的交换,从而反映PLC运行与控制对象动作结果之间的关系。

4 组态王开发实例

以下是基于组态软件四层电梯PLC控制系统的仿真系统开发过程。本系统采用三菱PLC编程软件FXGPWIN,组态软件采用北京亚控科技公司推出的“组态王”组态软件。以四层电梯控制系统为例讲述虚拟调试配置过程。用PLC控制的电梯控制系统一般有信号控制系统与拖动控制系统两大部分组成。

4.1 实验设计

其控制系统的控制要求:电梯运动方向由轿厢内选信号决定,优先执行顺向;电梯运动途中收到如遇呼叫电梯信号时,顺向截车,反向不执行;轿厢内选信号、呼梯有记忆功能,执行后解除;轿厢内选信号、呼梯信号、电梯运动方向、电梯运动楼层都由信号灯指示;停层可延时开门、手动开门、(关门过程中)停层顺向呼梯执行开门;延时关门,关门后再延时等待轿厢内选信号,自动行车;电梯运动时不能手动开门、本层呼梯开门,开门不能行车。

当学生做实验时,不必为其提供梯形图,不过可以先通过计算机屏幕为学生展示开发好的仿真控制画面,使学生对自己设计的控制系统有感性认识,从而进一步激发学习兴趣。按照每个实验给出的控制要求和PLC输入输出表,画出PLC原理图和控制程序流程图,让学生学会PLC的实际接线和电气元件的选型及标准画法,使实验更接近实际。应用三菱PLC编程软件FXGPWIN在计算机上自编程序。可使用不同的算法和指令编写程序,但最终要实现系统的相同控制。PLC程序编制完成后,要进行调试修改。首先,利用PLC编程软件中的“编译”命令,检查PLC程序是否有语法错误,如果没有再将程序下载到PLC中;其次,利用PLC编程软件中的“监控”和“强制”命令,调试PLC程序;最后,待组态软件仿真系统开发后,进行仿真实验。

4.2 实验系统设计与实现

根据工艺流程,进行工程项目分析,实验系统设计分为9个步骤。

第一步,分析系统,编写程序。对电梯控制系统进行分析,明确系统的控制要求,确定PLCI/O点数及PLC型号,通过编程软件FPWIN-GR编写PLC电梯控制程序。

第二步,建立数据库。在计算机上启动“组态王”组态软件的开发应用程序,建立一个“四层电梯仿真控制”的新工程,在工程浏览器的实时数据库中根据电梯控制系统输入输出信号的数量建立相应的变量,并为每个变量起一个名并确定相应的点类型。

第三步,选择设备驱动程序,建立PLC内的点与数据库变量的关联。组态软件可以与很多设备进行数据交换,只要为其选择相应的设备驱动程序即可。在工程中“实时数据库”的“I/O设备驱动”项下选择三菱系列PLC,并为其定义一个新的设备名称如“三菱”,使数据库变量的每个点与该PLC设备内的继电器点建立数据链接并确定相应的地址。

第四步,创建仿真显示窗口。窗口的内容是显示仿真对象的图形结构及被控过程,它以图形对象的变化或运动过程反映PLC程序的运行结果,故设计图形画面应尽可能逼真,给人以身临其境的感觉,并可以直观地从屏幕上观察到PLC控制结果正确与否。创建图形对象时可以采用系统工具箱中的一些已有图形,也可以自己绘制、插入图形。绘制图形过程与标准的Windows操作相同。

第五步,制作动画链接。通过把绘制的图形对象与数据库中的数据链接起来,从而使画面上每个图形对象与PLC设备内I/O点的状态进行关联。这有两方面的作用:一是把鼠标对各个图形对象的操作通过数据库的数据变化,将其转化为对PLC的输入信号;二是把PLC运算后的输出控制信号转变为画面上图形对象的动作。一个图形对象给它加上链接就相当于赋予它“生命”使其“活动”起来。动画链接的触发方法和动作结果内容很多,比如电梯门的开、关用两个矩形填充颜色来实现,开时颜色从中间向两边填充,如图3所示。

第六步,配置系统。制作动画链接完成后,把这个图形文件加在系统启动设置项中,这样就完成了整个上位机组态程序的设计。


第八步,I/O通信设置。I/O通信是组态王工程与所连接的下位机设备PLC中各种各样的硬件设备或者软件,通过各种不同方法进行通信,实现数据读写的功能。其通信参数根据设备的实际通信方式及参数进行配置,PLC的编程口的通信参数是固定的:波特率为9600,偶校验,一个停止位。计算机的串口需要配置相同的通信参数。而要实现基于三菱PLC编程软件,在I/O参数配置的最后一步设置中选择模拟器属性选项卡,并选中复选框(使用模拟器进行设备调试)

第九步,仿真系统的运行。用通信电缆连接PLC和计算机,通过FPWIN—GR把已经编写完成的电梯控制程序下载到PLC并使其运行(注意程序中已对每个PLC输入点X用一个相应的中间继电器M来替代),关闭FPWIN—GR。在“组态王”工程管理器中打开工程“四层电梯仿真控制”,进入运行。通过鼠标操作图形界面上电梯的各个按钮,观察电梯的运行情况。假设上面组态过程中的设置没有错误,那么在仿真过程中对电梯的“故障”调试,就是对电梯的PLC控制程序的测试和修改。如果电梯运行完全正确,说明PLC程序的运行和控制功能已经没有问题,即实现了对PLC控制系统的仿真。
    组态制作通常是用问答式填表方法完成变量的设置,而所用的图形就直接从图库中调出即可,大大节省了编程开发的工作量。四层电梯控制系统组态界面如图5所示。

基于组态王的PLC教学实验仿真系统为PLC教学带来了一种崭新的实验模式。一方面,实验环境不再局限于实验室,在空间上实现了延伸,学生可以在寝室、家等环境中进行工程的调试、课程设计等,另一方面,实验时间、实验次数学生根据自己的情况可以灵活调整,不受教学实验安排的限制。基于上述优越性,该仿真实验系统在PLC教学的实验环节、课程设计和习题训练中得到了良好应用。力争做到学生先利用仿真实验系统完成教学实验,再到实验室进一步在真实PLC上验证自己的梯形图程序是否符合设计要求,这大大缩短了实验时间,并巩固了所学知识。PLC教学实验不再受控制对象、时间及空间限制,学生就高效地、顺利地完成了教学实验,并进一步激发了学生学习PLC和组态软件技术的浓厚兴趣。

目前,我们已经开发了十字路口交通灯、水位控制系统、机械手控制系统等仿真控件,并编写了实验指导书以配合课堂教学,帮助学生积累工程现场的经验,使之得到全面综合的锻炼。

6 结束语

基于组态王和三菱PLC开发出的教学实验仿真控制系统,并且能进行仿真模拟控制实验,实验取得了较好的效果。仿真实验是实践教学的一种有效手段,它既能节约大量的实验经费,又能缩短实验时间,提高实验的安全性,另外,仿真控件有开发周期短、可靠性高、通信快速、功能强大、界面友好、开发简洁及开发后免维护等优势,但它仅是仿真,是实物实验的必要补充,能够提高教学效果。在PLC教学中可以做到先仿真,学理论学技术掌握基本操作,然后进行实物实验。基于组态王的PLC教学实验仿真系统使学生增强了学习兴趣,掌握了理论知识,锻炼了动手能力,为学生向技能型人才发展奠定了基础。此外,仿真方法还可在教师的科研中发挥巨大作用,所以可以开发多个仿真控件,增强实验的多样性,以更好地达到教学目的。

参考文献

[1]潘世永,郑萍.PLC远程仿真控制系统研究[J].中国远程教育.2005(11)

[2]日本西门子电机有限公司.GXSimulatorVersion7OperationManual[S].2007

[3]日本三菱电机有限公司.MXComponent3OperationManual[S].2008

[4]北京九思易自动化软件有限公司.易控(INSPEC)组态软件培训教程[M].2008

[5]李全利.可编程序控制器极其网络系统的综合应用技术[M].机械工业出版社.2006

[6]王兆义.小型可编程序控制器实用技术[M].高等教育出版社.2005

作者简介

李军 1980- 工学硕士 研究方向:电气自动化教研领域

 
 
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