双屏式PLC实验教学平台的设计与实现

张 洁，马凤铭

(鞍山师范学院 物理科学与技术学院,辽宁 鞍山 114007)



双屏式PLC实验教学平台的设计与实现

张 洁，马凤铭

(鞍山师范学院 物理科学与技术学院,辽宁 鞍山 114007)

在传统PLC实验教学平台基础上，引入触摸屏和组态软件，构建了基于计算机和触摸屏的双屏式PLC实验教学平台.该平台可同时进行PLC的编程、调试、运行监控，并将被控对象的动作以动画的形式显示，可帮助学生深入理解PLC及被控对象的工作过程，激发学生的学习兴趣.

PLC实验教学;触摸屏；组态软件；双屏式

可编程序控制器(Programmmabale Logic Controller)简称PLC，它具有可靠性高、功能强大、成本低、使用维护方便等特点，在工业自动控制等领域中应用广泛[1].PLC原理及应用是我国各大专院校电气类及相关专业的必修课程.

PLC是一门实践性很强的课程，涉及到工业现场电气控制、PLC编程和实际应用技术等较多的内容[2,3].PLC的实验教学做为理论联系实际的重要环节一直很受重视.本文在传统实验教学平台的基础上，引入触摸屏和组态软件，构建了基于计算机和触摸屏的双屏式PLC实验教学平台，计算机可进行PLC的编程、调试、运行监控，借助触摸屏和组态软件，虚拟被控对象，被控对象的动作以动画的形式显示，使得PLC的实验教学内容更生动，引导学生更深入地理解PLC应用系统的工作过程，激发学生的学习兴趣，为进一步深入学习和应用PLC技术打下良好的基础.

1 PLC实验教学现状

1.1 传统PLC实验教学

目前大专院校大多数采用PLC实验台或实验箱进行PLC实验教学，并配有计算机作为编程平台.PLC实验台或实验箱本身集合了多个实验项目，其主要采用发光二极管和直流电机模拟被控对象的工作状态，用按钮和开关替代被控对象的反馈状态，等等.

这种实验教学方式主要存在2个问题：一是不能直观地展示PLC控制对象的工作过程，学生无法体会到实际应用的情景，使部分学生逐渐失去了学习兴趣；二是受实验设备的限制，实验项目有限，实验内容都是比较侧重于程序的设计和调试，使得学生难以真正地理解PLC完整控制系统的工作过程[4].

1.2 基于组态软件的PLC实验教学

组态软件是指一些数据采集和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.将组态软件技术应用于PLC实验教学中，利用组态软件仿真PLC控制对象的工作过程[5].通过计算机的显示屏动画显示、实时监控实验的过程，可使实验教学具有直观性、灵活性和参与性[6].

目前基于组态技术的PLC实验平台有以下几种方式：

单纯演示式实验：仿真实验过程的组态软件事先已经编写好，实验者可以通过计算机的显示屏，直观地观察到实验的模拟过程，从而激发学生的学习热情，但无参与感.

完全虚拟式仿真实验[7]：在无PLC硬件条件下，PLC仿真软件虚拟实际的PLC，组态软件模拟实际的控制对象，在一定程度上满足了学生自我学习PLC的要求，但与真实的PLC有距离感.

全程参与式实验：实验者首先分析实验过程及控制要求，确定PLC与组态平台各自的任务，然后分别进行PLC控制程序的设计，以及组态平台方面的实时数据库构建、窗口建立、动画制作、设备组态等[8].这种方式要求实验者既要有PLC技术的相关知识，又要有组态软件的有关知识，这对初学者增加了学习难度，因此，不适于PLC的基础实验教学.

2 双屏式PLC实验教学平台构建

2.1 配置方案

图1 双屏式PLC实验教学平台构成

双屏式PLC实验教学平台由以CPU224XP为核心的S7-200PLC实验台(或实验箱)、计算机以及昆仑TPC1062KX触摸屏组成，参见图1.

计算机通过PC/PPI编程电缆与PLC的PPI通信接口(PORT0)连接.计算机运行S7-200PLC的编程软件STEP 7-Micro/WIN，为实验者提供编辑、调试、监控实验程序的良好编程环境.

昆仑TPC1062KX触摸屏通过串口COM2与PLC的RS485通信接口(PORT1)相连.昆仑触摸屏直接运行配套的仿真实验组态软件，模拟被控对象的工作环境.

触摸屏和计算机显示屏为实验者同时提供2种不同方式的监控界面，这既有利于提高学生学习PLC的兴趣，又有利于学生对PLC专业知识的学习.

2.2 仿真实验软件工作平台的设计

仿真实验软件工作平台由触摸屏的仿真实验组态软件和PLC中双屏转接桥指令库构成[9].

触摸屏的仿真实验组态软件是为学生设计的完整监控软件，实验者在进行PLC实验时，根本不需具备和学习组态软件有关方面的知识，就可以进行PLC知识的学习和实践.

图2 设备组态

触摸屏的仿真实验组态软件采用MCGS嵌入式组态软件[10～12]进行设计，其监控界面在实时展示被控对象的工作过程和状态的同时，设有控制点提示，方便实验者进行PLC控制程序的编写.S7-200PLC设备驱动构件挂在“通用串口父设备”下，如图2所示，保证组态软件与PLC之间进行实时数据传递，保证监控界面的实时性.

图3 双屏转接桥指令库

双屏转接桥指令库是为保证PLC实验过程中兼容组态监控界面的操作而设计的.双屏转接桥指令库采用S7-200PLC编程语言编写，并添加到STEP 7-Micro/WIN编程软件的指令树中，如图3所示.实验者在进行编写PLC控制程序时，只需在开始处直接调用相应的双屏转接桥库指令即可.

3 双屏式PLC实验教学实例

双屏式PLC实验教学平台集成了交通灯、混合液体装置控制、电梯控制等多项PLC实验项目，以满足PLC教学的需要.这里以两种液体混合装置自动控制实验项目为例，具体展示双屏式PLC实验教学平台的使用过程.

3.1 分析实验项目的控制要求

混合液体装置控制实验项目[13]要求A、B两种液体分别流入混合装置中，混合后液体流出.其中，液位传感器BG1、BG2、BG3分别感测混合装置中液位高度，液体流入流出分别由电磁阀MB1、MB2、MB3控制，MA为搅拌电动机.

图4是传统PLC实验台(DICE-PLC型可编程控制器实验台)对液体混合装置的模拟部分，其中，用2个绿色发光二极管分别表示控制液体A、B流入的电磁阀MB1和MB2状态；用1个红色发光二极管表示控制混合液体流出的电磁阀MB3状态；电机转动代表搅拌器工作.图5是双屏式PLC实验教学平台中触摸屏显示的组态监控界面.在组态监控界面上既有实验设备工作过程的动画显示，又有检测点、控制点以及控制参数的标注，同时提示对应单元的地址.

图4 液体混合装置传统实验模块

实验者根据实验项目要求，参考实验的组态监控界面(图5)，很容易对被控设备的工作过程进行理解，从而进行实验控制要求的分析，明确控制任务.

3.2 PLC的I/O地址分配

实验者根据实验的要求、现有的实验条件以及图5所给出的I/O控制点提示，列出I/O地址分配表，如表1所示.

3.3 PLC的I/O端子实验接线图设计及连接

这部分与传统PLC实验教学方式类似，也就是说，实验者根据控制要求和I/O地址分配表，设计I/O端子实验接线图(略)，并在PLC传统实验台相关部分(参见图4)进行实验线路连接，另用3个开关分别替代3个液位传感器(BG1-BG3)的感测结果.

图5 组态监控界面

图6 双屏转接桥库指令的调用

3.4 编写PLC控制程序

在STEP 7-Micro/WIN编程平台，根据实验过程要求和组态监控界面(图5)的提示编写相应实验程序.为使双屏(计算机显示屏和触摸屏)能同时监控被控设备的工作过程，在PLC程序开始处(主程序网络1)直接调用双屏转接桥库指令-ZJ10，如图6所示，其后按实验要求继续编写用户程序即可.

编辑完成的程序(略)通过PC/PPI编程电缆下载到PLC主机中，并运行.

3.5 双屏监控与调试

图7 编程平台程序状态监控图

TPC1062KX触摸屏和计算机显示屏同时以不同形式显示液体混合装置自动控制实验项目的监控界面.

触摸屏呈现的组态监控界面(图5)，实时直观地展现了PLC控制对象的工作状况，实验者可直接从这个动画展示了解实验过程，从而判断PLC控制程序的正确与否，同时，STEP 7-Micro/WIN编程软件在计算机显示屏上提供的程序状态监控界面(图7)和状态表监控界面(图8)，为PLC程序的调试与修改提供了更专业化、更具体的操作平台.

4 结束语

双屏式PLC实验教学平台在保留传统的PLC实验方式的基础上，增加了仿真被控对象工作环境的触摸屏显示，使得学生对实验过程有个比较直观和整体的了解，从而激发学生学习PLC的兴趣.

图8 编程平台状态表监控图

另外，根据PLC教学的需要，在不增加任何硬件成本的前提下，双屏式PLC实验教学平台很容易增加实验项目，丰富实验内容，从而有利于PLC实验教学改革的需要.

双屏式PLC实验教学平台既有利于学生对被控对象工作过程和PLC完整控制系统的理解，拓展学生的学习思路和范围，又为学生对PLC控制系统监控层组态软件的学习提供了良好的认知平台.

[1] 王永华．现代电气控制及PLC应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[2] 白连平，祁鲲.应用型本科的电气控制与PLC技术实验装置设计[J].实验技术与管理，2011,28(10):71-73.

[3] 王超.基于组态软件的PLC虚实结合实验室的构建[J].电气电子教学学报，2016,38(1):138-141.

[4] 束长宝，蒋步军，于照，等.多功能PLC实践教学装置研制[J].实验技术与管理，2014,31(12):70-73.

[5] 刘力.组态软件在PLC实验系统中的应用[J].实验室研究与探索,2014,33(4):127-129.

[6] 俞海珍，史旭华，蓝林花.基于组态技术的PLC实验教学平台设计与实现[J].宁波大学学报:理工版，2010,23(1):42-45.

[7] 周天沛，代洪.虚拟PLC仿真实验平台的设计 [J].工业仪表与自动化装置，2016(2):77-79,83.

[8] 周美兰，李昀昭，李文娟，等.基于触摸屏的PLC实验教学平台的研究与实现[J].中国电力教育,2013(36):109-114.

[9] 刘文波，王孟效，王峰.上位机与S7-200PLC之间的数据交换方法[J].制造业自动化，2015,37(14):28-30,37.

[10] 吴作明．工控组态软件与PLC应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[11] 张洁，马凤铭.焦炭气孔率测定监控系统的设计[J].鞍山师范学院学报，2014,16(6)：13-16.

[12] 金英姬.基于PLC与触摸屏实现液压教学实验台控制系统的研究[J].实验技术与管理，2012,29(4):152-154.

[13] 刘力.基于组态软件的PLC液体混合装置监控系统的设计[J].自动化技术与应用，2015,34(2):37-39.

(责任编辑：陈 欣)

Design and implementation of double screened PLC experiment teaching platform

ZHANG Jie，MA Fengming

(School of Physical Science and Technology,Anshan Normal University,Anshan Liaoning 114007,China)

On basis of the traditional way,double screened PLC experiment teaching platform were constituted with touch screen and configuration software,on which programming,debugging and running monitoring could be completed.The reaction of controlled subject could be demonstrated simultaneously in cartoon.It could interest students and help them understand the running process of PLC and the controlled subject.

PLC experiment teaching；touch screen；configuration software；double screened

2016-06-01

张洁(1962-)，女,满族，辽宁海城人，鞍山师范学院物理科学与技术学院高级实验师，硕士.

G482

A

1008-2441(2016)04-0010-04