姚娜 趙曉芳 李儀

(東莞理工學院 電子工程學院，廣東東莞 523808)

目前很多工科院校開設(shè)了可編程邏輯控制器 (PLC)這門課程，這是電氣工程及其自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，具有很強的實踐性，因此PLC實驗教學內(nèi)容非常重要，占了總學時的很大部分。而在實際生產(chǎn)中像電機、機床等這些被控對象體積、重量都比較大，價格昂貴且日常維護很困難，因此無法在實驗室大量使用。如果采用組態(tài)軟件和PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，用組態(tài)模擬實際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，不但可以用有限的設(shè)備來豐富學生的實驗課內(nèi)容，而且可以調(diào)動學生的積極性，達到理論聯(lián)系實際的目的。本文主要以自動車庫門控制系統(tǒng)為例，說明基于MCGS組態(tài)軟件的PLC實驗仿真教學系統(tǒng)的開發(fā)。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)架

系統(tǒng)主要有計算機、西門子PLC以及外圍模擬設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)簡單，如圖1所示。

圖1 仿真實驗的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中計算機作為上位機，PLC作為下位機。在上位機中配置MCGS組態(tài)軟件和西門子200系列PLC的編程軟件STEP 7－Micro/WIN。MCGS是一套32位全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件，可穩(wěn)定運行于Windows95/98/Me/NT/2000等多種操作系統(tǒng)，集動畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、雙機熱備、工程報表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備，在自動化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。MCGS軟件通過RS232接口與PLC之間進行通信，并監(jiān)控PLC的所有的存儲器、控制器及I/O接口的狀態(tài)，以變量值的形式傳輸?shù)接嬎銠C上，供上位機使用處理［1］。MCGS組態(tài)軟件概念簡單，便于理解和應(yīng)用，學生經(jīng)過短時間的培訓就能正確掌握其應(yīng)用，因此方便在實驗室的推廣應(yīng)用。

2 自動車庫門實驗仿真系統(tǒng)開發(fā)

下面以基于組態(tài)軟件的自動車庫門PLC控制系統(tǒng)的仿真為例，說明實驗仿真教學的開發(fā)過程。

2.1 分析自動車庫的控制要求

自動車庫控制系統(tǒng)包括兩個過程:存車和和取車。

存車:1.車到門前，車燈亮3次;2.門外車感傳感器接收到3個車燈的亮、滅信號后，延時3 s，車庫門自動上卷，動作指示燈亮;3.門上行碰到上限位開關(guān)，門全部打開，此時停止上行;4.車進入車庫，門內(nèi)車位傳感器檢測到車停到車位，延時2 s，門自動下行，動作指示燈亮;5.門下行碰到下限位開關(guān)，門全部關(guān)閉，此時停止下行。

取車:1.當車出車庫時，車燈亮3次;2.門內(nèi)車感傳感器接收到3個車燈的亮、滅信號后，延時2 s，車庫門自動上卷，動作指示燈亮;3.門上行碰到上限位開關(guān)，門全部打開，此時停止上行;4.車出車庫后，門外車位傳感器檢測到車已經(jīng)出車庫，延時2 s，門自動下行，動作指示燈亮;5.門下行碰到下限位開關(guān)，門全部關(guān)閉，此時停止下行。

同時模擬在車庫內(nèi)和車庫外均設(shè)有手動控制開關(guān)，可以控制門的開門、關(guān)門和停止。

2.2 分配PLC I/O點

根據(jù)自動車庫控制系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需要的輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)，常用的輸出設(shè)備有指示燈等。明確I/O設(shè)備后，對PLC進行I/O分配［2］。分配如表1所示。

表1 I/O分配表

2.3 利用MCGS組態(tài)監(jiān)控界面

MCGS提供了基本的繪圖工具，同時也提供了元件庫，用于畫較復(fù)雜但常用的元件圖形。在畫面中，除了繪圖，還要對設(shè)置的按鈕、元件進行屬性設(shè)置，如操作屬性、基本屬性、數(shù)據(jù)對象、動畫連接等。上位機監(jiān)控界面是給用戶最直觀的顯示，在自動車庫門控制系統(tǒng)的設(shè)計中要直觀的看到車庫門的上升和下降動作、汽車的進庫出庫、車燈的亮滅信號、庫門的上卷下行指示等，并設(shè)置了手動開門、手動關(guān)門等手動模擬控制開關(guān)。進入到MCGS組態(tài)運行環(huán)境后，可以觀察到汽車的自動進庫和出庫過程，并可以手動調(diào)試各個元件狀態(tài)是否正常，其動作過程反映了PLC程序的運行結(jié)果。自動車庫門組態(tài)畫面如圖2所示。

圖2 自動車庫組態(tài)畫面

2.4 定義數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的核心部分，是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁，系統(tǒng)中各個部分均以實時數(shù)據(jù)庫為公用區(qū)交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各個部分的協(xié)調(diào)動作［3］。本工程共定義了33個數(shù)據(jù)對象，其中包括25個開關(guān)量，8個數(shù)值量。為真實模擬自動車庫門控制過程，在數(shù)據(jù)庫中還創(chuàng)建了一些中間變量，如水平變化參數(shù)、大小變化參數(shù)等。在工程中部分變量設(shè)置如圖3所示。

圖3 實時數(shù)據(jù)庫定義

2.5 建立動畫連接

在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立聯(lián)系，當設(shè)定的變量值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫效果表示出來。本系統(tǒng)的動畫連接包括車庫門上卷下行、汽車進庫出庫等。在進行動畫連接時，除了進行必要的變量關(guān)聯(lián)外，有時還需要編寫一定的腳本程序配合PLC實現(xiàn)自動控制。以車庫門上下移動和汽車進庫出庫為例，其腳本程序如下:

2.6 MCGS與西門子200PLC的聯(lián)機調(diào)試

西門子PLC通過直接帶有的RS-232接口用電纜與計算機建立連接。MCGS通過串口PPI協(xié)議讀/寫PLC的各個繼電器和寄存器的內(nèi)容。西門子PLC掛接在MCGS串口父設(shè)備下。串口父設(shè)備在設(shè)置通信參數(shù)和通信端口時，必須設(shè)置成與PLC的通信參數(shù)和通信端口一致。西門子PLC常采用的通信參數(shù)是:波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，偶校驗。設(shè)置好基本屬性后，進行通道連接，將MCGS中的數(shù)據(jù)對象對應(yīng)添加到“連接變量”中。連接完畢進行通信檢查無誤之后，MCGS就可以驅(qū)動PLC程序，實現(xiàn)仿真效果［4］。連接完的部分屬性如圖4所示。經(jīng)過實際測試，自動車庫實驗仿真系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到了預(yù)期的效果。

圖4 通道連接屬性頁

3 結(jié)語

進入MCGS模擬仿真環(huán)境后，同時運行PLC控制程序，即可看到車的移動和車庫的自動開門關(guān)門過程。通過仿真實驗，我們也可以完成機械手控制、水箱水位控制、十字路口交通燈控制、四層電梯控制等PLC的傳統(tǒng)實驗，可以解決用傳統(tǒng)的實物方法開設(shè)PLC實驗課遇到的各種困難，節(jié)約學校的經(jīng)費投入。同時MCGS也可以和單片機控制系統(tǒng)配合應(yīng)用，可完成單片機實驗，在學校有推廣意義。

［1］袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社.2003.

［2］王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［3］陳君姿，莫林，侯占偉.組態(tài)軟件圖形組態(tài)子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2007(1):52－53.

［4］周永勤，周美蘭，戈寶軍，等.基于多組態(tài)平臺工控設(shè)備虛擬仿真實驗教學的研究［J］.電子電氣教學學報，2005(2):76－78.