“可编程序控制器原理及其应用”课程试验教学软件的研制

刘建伟　罗雄麟

摘要:本文在原有的TVT-90硬件和软件实验系统基础上,用组态软件实现“可编程序控制器原理及其应用”试验的动态模拟和仿真,在计算机上实现实验过程的动画仿真,使学生在实验过程中可以进行与生产过程的交互模拟,反复验证自己的程序设计过程是否正确,并且理解真实的生产装置的控制过程。

关键词:可编程序控制器;实践教学;动态的模拟

中图分类号:G642文献标识码:A

1引言

“可编程序控制器原理及其应用”课程教学过程中,学生普遍反映,虽然学习了可编程序控制器基本指令及各种基本的程序逻辑回路设计,掌握了可编程序控制器的基本硬件配置、选型、程序设计原理知识。但是,做了几个试验后,由于原有的TVT-90硬件和软件实验系统的实验装置无法模拟动态的顺序控制和生产流程,程序中的逻辑控制过程无法和真实装置的状态联系起来,无法把程序的抽象符号和逻辑与真实的生产过程或流程联系起来,学生对可编程序控制器程序的实际应用场景和应用过程仍然模糊。致使课程的教学效果大打折扣。因而改进本课程的试验教学,使程序动起来,使学生体会到真实的生产流程与可编程序控制器程序的逻辑对应关系十分必要,对于改进教学效果是至关重要的。

本文提出在原有的TVT-90硬件和软件实验系统基础上开发一个计算机软件辅助系统,该计算机软件辅助系统与原有的硬件和软件实验系统结合,更好地实现课程实验过程。计算机辅助系统对“可编程序控制器原理及其应用”的试验过程进行动态模拟和仿真,在计算机上实现实验对象和实验过程的动画仿真,使学生在做实验时,可对实验的顺序过程或工艺过程进行动态控制,反复验证自己的程序设计过程是否正确,并且理解实际的生产装置的控制过程。

2组态软件实现试验过程的动态模拟

我们使用力控组态软件实现试验过程的动态的模拟。下面详细介绍利用力控组态软件实现交通灯自控动态模拟仿真设计的过程,其余的各试验与交通灯自控类似,不再详述。

在力控组态软件中要创建一个新的应用程序工程,首先为该应用程序工程指定工程路径,不同的工程不能使用同一工程路径,工程路径保存着力控组态软件生成的组态文件,它包含了区域数据库、设备连接、监控画面、网络应用等各个方面的开发和运行信息。组态的一般过程是:绘制图形界面、创建数据库、配置I/O设备并进行I/O数据连接、建立动画连接、运行及调试。

2.1创建组态界面

进入开发系统后,可以为每个工程建立无限数目的画面,在每个画面上可以包含组态相互关联的静态或动态图形,这些画面是由开发系统提供的丰富的图形对象组成的。

(1) 创建新画面

进入开发环境Draw后,首先需要创建一个新窗口。选择“文件[F]/新建”命令出现“窗口属性”对话框,输入流程图画面的标题名称,命名为“交通灯控制”。单击按钮“背景色”,出现调色板,选择其中的一种颜色作为窗口背景色。其他的选项可以使用缺省设置。

(2) 创建图形对象与组态交通灯控制系统

现在,在屏幕上有了一个窗口,还应看见Draw的工具箱。利用工具箱中提供的绘图工具画出所需的监控画面,步骤如下:

① 创建监控画面背景:单击力控组态软件窗口右侧工具栏中的“常用组件”,再选中“常用组件”中的“位图”组件。在(1)中新建的画面上的任意处单击,出现“位图”加载对话框,选择正确的路径将“交通灯控制系统监控画面背景图”加载到“交通灯控制”画面中,单击“打开”按钮完成加载。

② 创建交通灯图形对象:单击力控组态软件的“扩展工具栏”中的“选择图库”按钮,在弹出的“图库”对话框左侧的目录栏中选择所需的目录“报警灯”,然后双击右侧的图标,被双击的图标将会显示在(1)中新建的画面“交通灯控制”画面的左上角,采用相同的方法创建其余的交通信号灯,如图1所示。

在(1)中新建的画面上的任意处按下鼠标左键,然后拖动鼠标,直到出现自己所需的交通信号灯图形,用同样的方法创建其余的交通信号灯。选中创建的图形对象,单击鼠标右键,然后选择“对象属性”进行图形对象的“静态”属性设置,可以设置位置大小、背景颜色、边线颜色、图层、线宽等。

用上述方法创建“交通灯控制”画面所需的全部图形对象,创建过程中尽量使用力控组态软件自身提供的图元,用户也可以创建具有独特功能或者具有自己风格的图元,然后封装成标准图元,添加到图元库中,下次使用时就可当作标准图元使用。

③ 创建按钮:我们要用几个按钮来执行启动设备、停止设备、完成特殊功能的任务。选择工具箱中的“按钮”工具■,画一个按钮。把按钮挪到合适的位置并调整好它的大小。按钮上有一个标志“Text”(文本)。选定这个按钮,在文本框中输入“开始”,然后单击“确认”。用同样的方法继续创建“南北急通车”按钮、“东西急通车”按钮。

在实验当中要求用“拨盘寄存器”存放绿灯闪烁的时间,可在编写梯形图时用一个字传送指令将“拨盘寄存器”中存放的值传送到控制绿灯闪烁的定时器对应的寄存器中。考虑到现在的侧重点是进行上位机的组态,故采用力控组态软件提供的“游标”来完成上述功能,两者的区别是在下位机要做的工作改到上位机进行,创建“游标”的步骤与用图库创建按钮的步骤大体一致,不同点在于创建“游标”时选择“图库”左侧的“游标”子目录。

对上述步骤创建的图元进行合理的布局,在力控组态软件中得到完整的交通灯控制图如图2所示。

至此已经完成了“交通灯控制系统监控画面”应用程序的图形描述部分的工作。下面还要做几件事。这就是定义I/O设备、创建数据库、制作动画连接和设置I/O驱动程序。数据库是应用程序的核心,动画连接使图形“活动”起来,I/O驱动程序完成与硬件测控设备的数据通信。

2.3定义I/O设备

I/O设备的通信一般包括:DDE、OPC、PLC、UPS、变频器、智能仪表、智能模块、板卡等,这些设备一般通过串口和以太网等方式与上位机交换数据,只有在定义了IO设备后,力控组态软件才能通过数据库变量和这些IO设备进行数据交换,定义IO设备的步骤如下:

我们后面要在数据库中定义几个与交通灯控制有关的点,但问题是这几个点的过程值(即它们的PV参数值)从何而来,由于数据库是从I/O Server(即I/O驱动程序)中获取过程数据的,所以我们必须要明确这几个点要从哪一个设备获取过程数据时,就需要定义I/O设备。

(1) 在Draw导航器中双击“I/O设备驱动”项目,在展开项目中选择“PLC”项并双击使其展开,然后继续选择“(松下)”并双击使其展开后,选择项目“FP-24(PPI)”。如图3所示。

(2) 双击“FP-24(PPI)”出现“I/O设备定义”对话框,在“设备名称”输入框内键入一个人为定义的名称,为了便于记忆,我们输入“PLC”。接下来要设置PLC的采集参数与站地址,即“数据更新周期”和“超时时间”。在“数据更新周期”输入框内键入50毫秒,在设备地址中键入“2”,该地址必须与PLC下位机指定的地址一致。如图4所示。

(3) 单击“下一步”按钮,出现装备配置第二步对话框,串口的下拉菜单中选“COM1”作为通信口,然后点击右边的“设置”按钮,进行通信参数的配置,设置好以后单击“保存”按钮。如图5所示。

(4) 单击“完成”按钮返回,在设备组态画面的右侧增加了一项“PLC”。如果要对I/O设备“PLC”的配置进行修改,双击项目“PLC”,会再次出现PLC的“I/O设备定义”对话框。若要删除I/O设备“plc”,用鼠标右键单击项目“plc”,在弹出的右键菜单中选择“删除”。

2.4创建实时数据库

数据库DB是整个应用系统的核心以及构建分布式应用系统的基础。在数据库中,我们操纵的对象是点(TAG),实时数据库根据点名字典决定数据库的结构,分配数据库的存储空间。在点名字典中,每个点都包含若干参数。一个点可以包含一些系统预定义的标准点参数,还可包含若干个用户自定义参数。

创建数据库点的步骤:

(1) 在Draw导航器中双击“实时数据库”项使其展开,在展开项目中双击“数据库组态”启动组态程序DBManager(如果没有看到导航器窗口,激活Draw菜单命令“查看/导航器”)。

(2) 启动DBManager后出现如图6所示的DBManager主窗口。

(3) 单击菜单条的“点”选项选择新建或双击单元格,出现“请指定区域、点类型”向导对话框,然后双击该点类型,出现“新增:区域0-数字I/O点”对话框,在“点名(NAME)”输入框内键入点名“START”。如图7所示。

其他参数如量程、报警参数等可以采用系统提供的缺省值。单击“确定”按钮返回,在点名单元格中增加了一个点名“START”,按如上所述步骤,创建所需的数字I/O点。

2.5实时数据库与I/O设备连接

前面创建了一个名为“PLC”的I/O设备,而且它连接的正是我们使用的plc设备。现在的问题是如何将已经创建的数据库点与plc中的数据项联系起来,以使这几个点的PV参数值能与I/O设备plc进行实时数据交换。这个过程就是建立数据连接的过程。由于数据库可以与多个I/O设备进行数据交换,所以必须指定哪些点与哪个I/O的哪个数据项设备建立数据连接。如图8所示。

创建数据库点链接的步骤:

(1) 双击数据库中点START的单元格,选择“数据连接”选项或双击LEVEL所对的“%IOLINK[I/O连接]”单元格,出现的数据库连接对话框。

(2) 出现PLC的数据连接对话框,单击增加按钮,“寄存器地址”选择“0”,“寄存器类型”指定为“增量寄存器”,然后单击“确定”按钮返回,完成该点数据连接的定义,在点START的I/O连接单元格中列出了点START的数据连接项。

(3) 反复进行(1)、(2)步骤,对交通灯监控系统的数据点做相应的处理。

2.6制作动画连接

现在我们又要回到开发环境Draw中,通过制作动画连接使图形在画面上随仿真数据的变化而活动起来,制作动画连接步骤如下:

(1) 制作交通信号灯的动画连接

双击南北方向的红灯图元,出现“动画连接”对话框,因为信号灯在控制系统中仅仅是颜色改变,故选择“颜色相关动作”栏中“颜色变化”框的“条件”按钮,在弹出的对话框中进行变量的选择与条件真、假时颜色的变化的设置。如图9所示。

(2) 制作车辆图元的动画连接

为了在上位机上生动显示组态的优越性,加入了车辆图元来仿真实际的十字路口的交通情况。“车辆”的移动必须借助一个变量来实现,本实验定义的控制车辆移动的变量是CAR_SN和CAR_EW,而该变量的改变要由主程序来实现,在工程项目栏中“动作”的“应用程序动作”中输入如下程序:

IF Q3.PV==0&&Q0.PV==1 THEN

//南北方向可以行驶车辆 CAR_EW.PV=0; //初始化东西方向车辆 //倒计时显示控制 IF VW2.PV<=80 THEN RED.PV=8-(VW2.PV/10); GRE.PV=6-(VW2.PV/10); IF GRE.PV<0 THEN GRE.PV=0; ENDIF ENDIF //南北方向车辆流通控制 IF Q4.PV==0&&GRE.PV<=6 THEN CAR_SN.PV=CAR_SN.PV+60; IF CAR_SN.PV>600 THEN hide(); CAR_SN.PV=0; Show(); ENDIF ENDIF IF Q4.PV==1&&CAR_SN.PV>=60 THEN CAR_SN.PV=CAR_SN.PV+100; BEEP(-1); IF CAR_SN.PV>600 THEN hide(); CAR_SN.PV=0; Show(); ENDIF ENDIF ENDIF

东西方向类似。然后将车辆图元动画连接的目标移动与对应的变相连接,便可以实现“车辆”的移动。

2.7用指示灯模拟交通灯控制系统的运行过程

为了显示上位机对下位机的可操作性,我们可在上位机的组态软件中定义软启动按钮与PLC中的中间继电器“相连”,通过对中间继电器的读写来代替现场信号的传输,以方便操作。待以上工作都准备好以后,通过改变PPI自身的拨码开关来改变其工作状态,达到从连接编程器到连接上位机的改变。在力控组态软件中运行组态监控程序,得到最终的运行效果图如图10所示。

3其他几个试验设计结果

对于几个主要的试验:交通灯手控与自控、自控成型机、自控轧钢机,以及水塔水位自动控制,其组态软件监控画面如图11～图13所示。

4结论

通过组态软件辅助系统对“可编程序控制器原理及其应用”课程试验教学的改进,深化了课程建设,提高了教学质量。学生在做实验时,可通过人机界面对可编程序控制器的程序运行实施动态监控,并可对实验的顺序过程或工艺过程进行动态控制,使学生在实验过程中可以进行与生产过程的交互模拟,充分掌握课堂教学内容。本科学生经过本课程的学习后,无论是就业还是进入研究生阶段继续深造,均打下良好的基础。

参考文献:

[1] 常斗南. 可编程序控制器原理、应用、实验[M]. 2版. 北京:机械工业出版社,2002.

[2] 王建,张宏. 松下PLC入门与典型应用[M]. 北京:中国电力出版社,2009.

[3] 张运刚,宋小春,郭武强. 从入门到精通——工业组态技术与应用[M]. 北京:人民邮电出版社,2008.

The Development of Teaching Software of the Principle of Programmable Controller and Its Application

LIU Jian-wei, LUO Xiong-lin

(China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Abstract: In this paper, we use configuration software fulfill the dynamic simulation of experiments of “The principle of programmable controller and its application” lesson on the TVT-90 hardware and software experiment system. Animation simulation of experimental procedures in computer made its accessible of interaction of students and production process, students can repeat test the correctness of their program design, and understand true control process of production equipments.

Key words: the programming controller; practical teaching; dynamic simulation