组态软件在实验教学中的应用

封定国

摘要:本文分析了目前自动化专业职业教育实验教学中存在的问题,进而提出了采用组态软件编制仿真实验系统的对策。以水塔水位的PLC控制实验为例,介绍了MCGS监控程序的开发过程及其在自动化专业实验教学中的应用。

关键词:组态软件;实验教学;自动化

自动化专业职业教育是一门“设备依赖性强”,与经济发展非常密切的教育。当前我国对该专业的技能型人才需求量非常大,但其目前也面临着严峻的挑战:职教学校的实训设备不足、型号落后,更重要的是如何在条件有限的情况下根据自身需求对现有实训设备进行充分利用与升级改造,以满足教学的要求。

当前自动化专业技能实训教学中,大部分学校的实训教学是通过购买教学设备厂家的模拟实验板或者厂商开发的仿真软件进行模拟(仿真)实验教学来实现的。

目前最常用的是模拟实验板(以PLC水塔水位控制实验为例)——利用开关和发光二极管来模拟水箱水位控制的动作过程。该方式优点是价格便宜,但是模拟方式很呆板,不能模拟实时的水箱水位控制过程,模拟效果很差,学生直观感受很差,教学效果很难保证。

另一种方式是直接购买教学设备厂商开发出的一些仿真软件,但这些仿真软件往往是随成套设备“赠送”的,价格昂贵。这种解决方案优点是学校方面比较省事,但是缺点也很明显,价格昂贵,更重要的是教师在实际应用中很难根据教学和行业的特殊要求对软件进行再开发。也有学校组织教师利用FLASH等软件开发仿真软件,但是这类仿真软件往往只能解决让学生理解设备动作过程的问题,并不能与PLC以及变频器等工业设备进行通讯(例如:不能让学生对PLC编程,用PLC控制FLASH动画动作,方便程序调试)。自编软件与PLC、变频器以及触摸屏等设备进行通讯并实现编程调试,将是一项非常庞大的工作,具有较高的实施难度,不是一般的自动控制专业的教师所能独立完成的工作。

一、采用组态软件编制仿真实验系统

教师们面对教学设备厂商“赠送”的教学仿真软件时往往非常无奈:教学设备采购资金缺乏,自编软件能力有限等。有没有办法在降低资金投入和设计难度的前提下开发出适应专业教学要求的仿真实验系统呢?利用组态软件,自动控制专业专职教师也可以开发出适应教学需要的仿真实验系统。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议,并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

组态软件目前主要集中应用在工业现场监控方面。但是,组态软件本身具有以下特点:①提供了大量的绘图工具和基础图符,省去了在类似FLASH等软件上的基本元件的构图过程,同时组态软件本身具有与工业设备通讯的能力。②组态软件可以直接从其官方网站下载。软件本身有一小段无限制试用时间(例如:MCGS组态软件有30分钟无限制使用时间——组态开发过程所用时间不计)对教学应用来说是完全开放的。③组态软件目前的应用也越来越广泛,是自动控制专业教师和学生需要学习的一个内容。基于该软件平台的开发过程在难度上并不太大,学生在应用基于组态软件开发的仿真系统时也是在学习组态软件的应用,可以说是一举多得。基于以上理由,可以说组态软件是非常优秀的仿真实验系统开发平台。

二、利用MCGS组态软件编程的实例分析

当前市场上常用的组态软件有Wonderware的InTouch软件、Intellution公司的Fix组态软件、CiT公司的Citech、Simens的WinCC、组态王、华富计算机公司的Controx2000、大庆三维公司的ForceControl(力控),还有GE的Cimplici- ty,Rockwell的RsView,NI的LookOut,PC- Soft的Wizcon以及昆仑通态的MCGS等。MCGS组态软件是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的一款工业组态软件。下面以MCGS组态软件通用版为例开发一个水塔水位控制系统的仿真实验系统。

1.设计监控界面

在MCGS组态平台上,创建“水塔水位PLC自动控制系统”用户窗口,单击“动画组态”,进入动画制作窗口。利用组态工具,绘制“水塔水位PLC自动控制系统”实验监控界面(见图1)。

2.定义数据变量

实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据变量是构成实时数据库的基本单元,建立实时数据库的过程也就是定义数据变量的过程。定义数据变量的内容主要包括:指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围,确定与数据变量存盘相关的参数,如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等(见图2)。

3.动画连接

由图形对象搭制而成的图形界面是静止不动的,需要对这些图形对象进行动画设计,真实地描述外界对象的状态变化,达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接,并设置相应的动画属性。在系统运行过程中,图形对象的外观和状态特征,由数据对象的实时采集值驱动,从而实现图形的动画效果。

4.MCGS与PLC的连接设备窗口

MCGS与PLC的连接设备窗口是MCGS系统的重要组成部分,负责建立系统与外部硬件设备的连接,使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态,实现对工业过程的实时监控。在MCGS组态软件开发平台上,单击“设备窗口”,再单击“设备组态”按钮进入设备组态。在“设备工具箱”中,选中“串口通讯父设备”和“三菱FX-232”,加到右面已选设备并分别设置两者的属性。

5.编制循环策略

在“运行策略”中,双击“循环策略”进入,双击图标进入“策略属性设置”,把“循环时间”设为100ms,按“确定”。双击进入脚本程序编辑环境,程序如下:

******液位模拟程序********

if 水泵=1 then

液位1=液位1+0.5

endif

if 调节阀=1 then

液位1=液位1-0.05

液位2=液位2+0.1

endif

if 出水阀=1 then

液位2=液位2-0.03

endif

**********报警设置*********

!setalmvalue (液位1,液位1上限,3)

!setalmvalue (液位1,液位1下限,2)

!setalmvalue (液位2,液位2上限,3)

!setalmvalue (液位2,液位2下限,2)

*************水位报警设置****

if 液位1>=液位1上限then

S1=1

else

S1=0

endif

if 液位1=<液位1下限then

S2=1

else

S2=0

endif

if 液位2>=液位2上限then

S3=1

else

s3=0

endif

if 液位2=<液位2下限then

s4=1

else

s4=0

endif

**********输入处理*******

在菜单项“文件”中选“进入运行环境”或直接按“F5”或直接按工具条中图标,都可以进入运行环境。

利用MCGS开发的水塔水位控制实验系统动画可分为两种:其一为演示界面,不与PLC连接,只要用鼠标点击界面上相关选择按钮,通过编好的MCGS脚本程序控制进水和出水,目的是让学生在实验前了解控制要求和实际的运行流程,为编制实验程序奠定基础;其二是监控界面,使用时学生操作实验模块上的控制按钮,启动自己编写的PLC程序,根据PLC程序的执行情况控制电机和阀门对水塔水位进行调节,可以直观地看到自己编写的控制程序的运行效果是否符合控制要求。

基于组态软件的模拟系统(例:机械手控制考核系统——如图3所示)也可以应用于实训教学的考核过程中,在实际的实训考核过程中能收到较好的效果,受到相关专家评委的好评。

通过实践教学,证明基于组态软件平台开发自动控制专业技能实训教学系统是非常合适而且是切实可行的,既能降低教学成本,又能提高教学效果。组态软件除了可应用于PLC实训教学外,还可利用其特点,将其与PLC、变频器、触摸屏、伺服系统等设备联系起来,自由组合或者进行综合性教学。基于组态软件的可扩展性,任课教师可以利用组态软件组合设计适合教学要求的一体化教学系统。

参考文献:

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