PLC實訓教學系統(tǒng)設計與實現【摘要】 1引言 11

研究的目的和意義 21.1PLC教學中存在的問題 21.2基于MCGS的PLC實訓教學系統(tǒng)的意義 32

實訓項目控制要求 33實訓教學系統(tǒng)設計方案 53.1理論基礎 53.1.1MCGS軟件 53.1.2PLC 63.2主要技術 63.3系統(tǒng)結構 63.3.1系統(tǒng)組態(tài)界面 74實訓教學系統(tǒng)設計思路 74.1系統(tǒng)組態(tài)的基本思路 74.2系統(tǒng)組態(tài)設計 84．2．1工程建立 84．2．2用戶窗口組態(tài) 94．2．3實時數據庫構造 94．2．4設備窗口組態(tài) 104.3系統(tǒng)的主要功能界面 115實例組態(tài)畫面設計 175.1水塔水位自動控制系統(tǒng) 175.2交通燈控制系統(tǒng)組態(tài) 185.3多種液體自動控制系統(tǒng) 206連機調試 216.1調試準備工作 216.2水塔水位自動控制 236.3交通燈控制系統(tǒng) 256.4多種液體自動混合 277設計總結 28參考文獻 29【摘要】mcgs是一種基于Microsoft平臺上正常運行的用于輕松構建和設計PC監(jiān)控屏幕系統(tǒng)。它使我們能夠在工作中實時收集和分析大量數據。通過動畫顯示、報警機制、表輸出、過程控制、歷史數據等方法解決用戶的應用問題。MCGS配置軟件非常強大。機載系統(tǒng)軟件功能強大，穩(wěn)定性高，投資少。培訓人員可以通過簡單的學習和編程，快速學習各種實際工程項目的操作設計，這是很容易學習的。同時，使用MCGS可以避免PC復雜的軟件和硬件問題。雖然開發(fā)人員對編程和設計知之甚少，但他們也可以設計和開發(fā)一組適合昆侖通態(tài)軟件培訓項目的教學配置圖像。強調培訓方案的要求和特點。它配備了一個實用、靈活、可靠和專業(yè)的教學監(jiān)控屏幕系統(tǒng)?！娟P鍵詞】MCGS；組態(tài)畫面；編程軟件。引言當前，PLC技術應用在電氣控制領域方面有著無可代替的地位。為了順應社會需要,目前,國內已經開辦有機電一體化、工業(yè)機器人、電氣過程以及計算機自動化等多個專業(yè)的普通高職學校都將《可編程控制技術》的教學納入到了教學任務當中,作為其必修課?！犊删幊炭刂萍夹g》這門課程屬于一門教學實用性好、靈活度高和學科綜合能力強的本科必修課。與實際工程方面聯系密切，這就要求老師在上課教學方面要多結合實踐方面，正所謂“理論聯系實際，實際緊貼理論”。因此，PLC實訓是該教學科目的主要構成環(huán)節(jié)，實訓設備裝配的好壞對學生動手操作的鍛煉有著直接的影響。mcgs是由中國北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司自主研究的組態(tài)環(huán)境,用于選速地構造和設計生成一個pc監(jiān)測管理系統(tǒng),嵌入版中的mcgs可以充分在32位系統(tǒng)的windows平臺上進行操作和運行,通過對現場的數據信息進行采集和分析處理，以圖形呈現、異常告警、表格、歷史數據等多樣方法向使用者支應解決現實問題的方法，在電氣控制領域方面有著普遍的使用。運用基于MCGS的PLC教學實訓系統(tǒng)的目的在于將理論知識的教學與動手實踐教學實訓匯結合到一起。老師只要通過學習中使用一臺多媒體的教學設備和一臺可編程的控制器,就已經可以把自己的實訓室或者一臺自動化的生產線管理系統(tǒng)帶入到課堂中,在一個教室的課堂上傳授完全掌握了所有的理論知識后,就已經可以當堂對學生進行了實訓教學的演示和操作，從而增加學生對實訓室或自動化生產線控制過程的觀視感，可以更好的培養(yǎng)學生對MCGS組態(tài)軟件學習的樂趣。1

研究的目的和意義1.1PLC教學中存在的問題教學內容多，難以掌握，實訓要求相對較高。PLC課程所要記住的內容十分的多，包括許多的基本指令、功能指令，以及這些指令的用法等。并且這些指令之間非常相似，全部牢記十分困難。想要完善一個實訓項目控制程序的編輯，就必需要掌握足夠的專業(yè)知識技能儲備和設計要領，這樣的要求，實現起來有一定的難度。教學設施裝配不夠完善，不能跟上實訓教學的需求。當前，在國內的實訓室里面，實驗設備有限，沒辦法滿足學生的需求。購買傳統(tǒng)教學實訓系統(tǒng)又要花費大量的經費，對于很多學院和學校來說是難以接受的。同時，PLC在實際生產中的需求，使越來越多的學生接觸PLC課程，但設備又無法配齊。除此之外，傳統(tǒng)的教學系統(tǒng)在使用過程中，也會時常的出現設備故障，而維修設備故障的費用對于學校來說也是一筆很大的開支。理論知識和實踐訓練沒辦法及時結合，限制學生的發(fā)展。在當前的教學過程中，主要是老師的講授進行學習基本的指令和功能模塊，再傳授編程的方法，最后讓學生們自己進行上機練習。這樣的情況，讓課本理論和實際操作兩者之間呈現出斷層現象。當前，國內的職業(yè)院校在PLC教學中廣泛出現這些問題，把基于MCGS的PLC實訓教學系統(tǒng)應用到PLC教學中就能完美解決這些難題。1.2基于MCGS的PLC實訓教學系統(tǒng)的意義PLC教學實訓系統(tǒng)可以仿真模擬控制運行的情景，增加學生對plc的學習興趣。興趣的增加可以有效提升學習效率。當學生對可編程控制器課程產生了濃烈的興致，就會積極的去學習與實踐。通過實訓教學系統(tǒng)能夠構建許多的模擬仿真窗口，例如：多種液體自動混合控制系統(tǒng)、水塔水位控制系統(tǒng)、交通燈控制系統(tǒng)等。學生按照實訓的實際要求，利用編程軟件進行控制程序編寫，再使用組態(tài)仿真軟件檢驗程序的準確性和觀察實際運行的效果。這種方法可以將學生的自主學習性調動起來，提高學生的編程思維，將課本的理論知識和實踐動手能力兩者結合，有益于培養(yǎng)綜合發(fā)展的人才。PLC的被控對象也有許多，理論上是無窮多的。將仿真控制對象與實際控制對象進行比較。仿真控制對象具有不占用空間、投資少、設備維護成本低等優(yōu)點。目前，大多數大學培訓室都配備了相對簡單的控制對象。比如：電動機、三層電梯等。但是，對于一些大型的被控對象，比如：液體混合裝置、軋鋼機裝置等，學校沒有那么多的空間存放這些教學資源，也沒有足夠的資金進行購買。組態(tài)實訓教學系統(tǒng)，不僅能夠解決這類問題，還增加了被控對象個數和學生們的實踐經歷。組態(tài)教學實訓系統(tǒng)使用方便靈活。教學實訓系統(tǒng)可以幫助教師根據理論教學的實際情況進行不同的實訓。同時，不同的學生也可以根據學習條件選擇實訓項目，優(yōu)化資源配置，增強學生的自信心。2

實訓項目控制要求根據各個項目控制程序編程指令的使用，可以分為基本指令類、步進指令類、功能指令類。詳細分類如圖所示：圖SEQ圖_\*ARABIC1基本指令類項目圖圖SEQ圖_\*ARABIC2步進指令類項目圖圖SEQ圖_\*ARABIC3功能模塊類項目圖通過對實訓項目的歸類，基本指令類的實訓項目主要依靠常閉常開觸點、線圈、定時器以及計數器等基本指令的使用來實現項目的功能需求；步進指令類的實訓項目主要依靠步進指令來實現程序的順序控制功能；功能指令類的實訓項目主要依靠功能模塊指令，例如傳送指令、運算指令、移位指令以及循環(huán)指令來實現對數據的處理。3實訓教學系統(tǒng)設計方案3.1理論基礎實訓教學系統(tǒng)由上位機模塊和下位機模塊組成，本系統(tǒng)的構建組成由MCGS軟件和PLC。3.1.1MCGS軟件mcgs是一個基于Microsoft平臺上正常運行的用于便捷地構造與繪制pc監(jiān)視畫面系統(tǒng)的嵌入式組態(tài)軟件，它使得我們能夠在工作時通過對現場大量數據的實時采集和分析處理，以各種動圖顯示、報警機制、表格輸出、流程控制、歷史資料等多樣方法向使用者支應解決現實應用難題的方法。MCGS組態(tài)環(huán)境構建的工程項目由五個功能窗口組成:主控制窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略。MCGS組態(tài)軟件功能十分強大，它具備功能強大、穩(wěn)定性高、所需經費投入少的嵌入系系統(tǒng)軟件，培訓人員通過簡單的學習培養(yǎng)和編程，就可以快速學會多種實訓工程項目的運行操作設計，簡單易學。同時運用MCGS嵌入式能夠避免PC復雜的軟、硬件問題，即使開發(fā)人員的編程設計知識較少，也可以通過昆侖通態(tài)軟件來設計開發(fā)出一套適用于實訓項目教學組態(tài)畫面，集中根據實訓項目工程的要求和特點，組態(tài)配備出實用性靈活、可靠性好和專業(yè)性強的教學監(jiān)視畫面系統(tǒng)。3.1.2PLCPLC(可編程控制器)是一種帶有微處理器的數字操作控制器，用于自動控制，可隨時將控制指令加載到內存中進行存儲和執(zhí)行。主要由處理器、指令和數據存儲器、輸入/輸出接口、電源、數字/模擬轉換器和其他功能部件組成。3.2主要技術通過實訓項目控制要求進行I/O地址分配；繪制硬件接線圖；編寫PLC控制程序；建立組態(tài)工程并完成窗口畫面設計；實時數據庫進行變量定義；動畫關聯（腳本程序輔助實現）；設備通道連接；工程下載系統(tǒng)運行調試；3.3系統(tǒng)結構基于MCGS的PLC教學實訓系統(tǒng)是通過在上位機（電腦或觸摸屏）上動畫模擬真實被控對象，利用腳本程序輔助控制完成動畫的運行?？梢詫崿F在沒有PLC硬件設備的條件下進行實訓教學，通過在觸摸屏或者電腦屏幕上觀察模擬動畫運行的過程和結果，還原真實PLC實訓效果，從而達到完成教學的目的，系統(tǒng)結構如圖。圖SEQ圖_\*ARABIC4系統(tǒng)結構圖3.3.1系統(tǒng)組態(tài)界面圖SEQ圖_\*ARABIC5系統(tǒng)組態(tài)界面4實訓教學系統(tǒng)設計思路4.1系統(tǒng)組態(tài)的基本思路依據項目控制要求，建立對應變量實時數據庫；新建組態(tài)工程；添加項目窗口界面；繪制模擬圖像；進行動畫鏈接（可腳本程序輔助）；設備通道連接；工程下載運行調試。圖SEQ圖_\*ARABIC6系統(tǒng)設計思路4.2系統(tǒng)組態(tài)設計MCGS組態(tài)環(huán)境構建的工程項目由五個功能窗口組成:主控制窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略。每個實訓項目的完成都包含對項目工程的新建、實時數據庫變量定義、用戶窗口組態(tài)、設備窗口組態(tài)這幾個步驟的構建。具體步驟如下：4．2．1工程建立打開MCGS組態(tài)環(huán)境，點擊“新建”標簽，新建一個新的項目工程。每個項目工程都包含5部分在內。分別為主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略。后期要對相應窗口依據控制對象進行具體化組態(tài)。4．2．2用戶窗口組態(tài)用戶窗口實際就是一個“倉庫”，它可以用來放置各式各樣的圖形對象，當然每個圖形都表示著不同的功能。對窗口里的每個窗口進行設置，構建美觀的界面，以達到形象的動畫效果。用戶窗口動畫組態(tài)分為四步驟，分別是創(chuàng)建新窗口；對窗口的屬性進行設定；對畫面對象進行繪制；對畫面里的對象進行關聯。圖SEQ圖_\*ARABIC7用戶窗口圖4．2．3實時數據庫構造實時數據庫作為MCGS的數據中樞，協(xié)調組態(tài)內的順暢運行起得至關重要的作用。而對于硬件要求也高，要求有著大的容量和反應快速的運行速度。將設備窗口采集到的外部設備信息與系統(tǒng)內的數據進行處理調動，同時將處理后的結果反饋回設備和系統(tǒng)內進行存盤。為系統(tǒng)畫面的異常報警信息、數據分析等提供重要數據。對于新建的工程項目，實時數據庫窗口的數據對象有InputETime、InputSTime、InputUserl以及InputUser2。如果需要添加新的數據對象，需要選擇對應的數據對象，然后點擊新增對象按鈕進行新建。由于MCGS和S7-200進行通訊時，MCGS對PLC只能進行讀操作而不能進行寫操作，所以在plc編程時就要注意不能用I寄存器，必須使用中間繼電器M來進行代替。因此在進行數據定義時，就必須注意這個問題。圖SEQ圖_\*ARABIC8實時數據庫圖4．2．4設備窗口組態(tài)作為MCGS組態(tài)軟件與外部硬件設備聯接的輸送窗口。隨時將采集到信息數據傳輸給實時數據庫進行處理，或者將實時數據庫里面的數據信息傳送給外部設備上，承擔著信息交互的主要作用。在運轉過程中處于后臺隱藏，不會展現在畫面當中。MCGS的內部有設備工具箱，它包含了能夠和硬件設備相對應的構件。在設備窗口中對一些構件進行設置的方法如下：首先點擊設備窗口圖標，打開設備窗口界面。圖SEQ圖_\*ARABIC9設備窗口圖通過圖標或者按鈕，直接打開設備組態(tài)窗口。在設備組態(tài)窗口中點擊右鍵或者單擊按鈕，從而進入設備工具箱。圖SEQ圖_\*ARABIC10設備工具箱圖雙擊工具箱中的串口通訊父設備，便將其添加到設備組態(tài)窗口，用同樣的方法能夠把西門子S7．200PPI添加到設備組態(tài)窗口.圖SEQ圖_\*ARABIC11設備添加圖4.3系統(tǒng)的主要功能界面實訓教學系統(tǒng)需要建立的功能窗口分別有：登錄窗口，項目選擇窗口，電機控制系統(tǒng)窗口，電機多地控制系統(tǒng)窗口，三電機順啟逆?？刂葡到y(tǒng)窗口，星三角降壓啟動窗口，水塔水位控制系統(tǒng)窗口，四人搶答器窗口，電機順序控制系統(tǒng)窗口，自動裝車送料系統(tǒng)窗口，天塔之光控制系統(tǒng)窗口，音樂噴泉控制系統(tǒng)窗口，多種液體自動混合控制系統(tǒng)窗口，交通燈控制系統(tǒng)窗口。如圖所示：圖SEQ圖_\*ARABIC12系統(tǒng)窗口圖主要功能窗口畫面：在登錄界面點擊登錄按鈕，輸入正確密碼進入項目選擇界面。圖SEQ圖_\*ARABIC13登錄畫面圖進入項目選擇界面，選擇所需的組態(tài)項目畫面。圖SEQ圖_\*ARABIC14目錄畫面圖各個項目對應組態(tài)畫面如下：圖SEQ圖_\*ARABIC15電機控制畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC16電機多地控制畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC17三電機順啟逆停畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC18星三角降壓啟動畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC19水塔水位自動控制畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC20四人搶答器畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC21電機順序控制畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC22交通燈控制畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC23自動送料裝車畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC24多種液體自動混合畫面圖SEQ圖_\*ARABIC25天塔之光畫面圖圖SEQ圖_\*ARABIC26音樂噴泉畫面圖5實例組態(tài)畫面設計5.1水塔水位自動控制系統(tǒng)點開用戶窗口，新建一個窗口，將窗口命名為水塔水位自動控制。進入水塔水位自動控制窗口進行組態(tài)畫面制作，打開工具箱，繪制按鈕；點擊插入元件，選擇反應罐31作為水塔，選用儲存罐56作為水池，挑選兩個水泵放置合適位置，用流動塊連接起來，雙擊流動塊彈出屬性設置對塊的顏色進行修改；在插入元件傳感器里挑選傳感器22作為水塔、水池的上下限位，利用橢圓畫圖進行顏色填充。畫面見圖。圖SEQ圖_\*ARABIC27水塔水池自動控制畫面圖打開實時數據庫，定義水塔水池自動控制項目所需的某些變量，根據控制要求進行定義和修改。動畫鏈接點擊啟動、停止按鈕選擇操作屬性，將數據對象值操作選定按1松0，關聯對應變量。雙擊水塔、水池的圖形，進入單元屬性設置，點擊大小變化，將建立的對應變量進行關聯。點擊水泵關聯變量，左右兩端的流動塊流動屬性與水泵的變量一致。水塔、水池的上下限位進行對應變量關聯，并用小圓圈填充顏色顯示。對上下限位進行故障警報提示關聯。對水塔、水池的變量進行腳本編輯。圖SEQ圖_\*ARABIC28水塔、水池變量腳本編輯5.2交通燈控制系統(tǒng)組態(tài)點開用戶窗口，新建一個窗口，將窗口命名為交通燈控制系統(tǒng)。進入交通燈控制窗口進行組態(tài)畫面制作，打開工具箱，先繪制一個十字交通路口，再點擊插入元件選擇車、樹木及交通燈，調整好合適的大小放到相應位置；繪制按鈕。畫面見圖。圖SEQ圖_\*ARABIC29交通燈控制系統(tǒng)畫面圖打開實時數據庫，定義好交通燈項目所需要用到的一些變量，根據控制要求進行定義修改。動畫鏈接點擊按鈕選擇操作屬性，將數據對象值操作選定按1松0，關聯對應變量。雙擊指向紅綠燈的一個單位顏色圖形,進入這個單位圖形屬性的顏色設置,點擊后用紅色顯示可見度,將東西兩個方向和南北兩個方向的紅色指示燈與紅色相應的亮度變量進行關聯。直接點擊關聯時間輸入數值的窗口,在屬性設置中通過勾選顯示數值輸出,關聯相對應的顯示變量,選擇一個數值量的輸出,勾選到相應的單位填入時間“秒”或“S”。對貨車運行進行腳本編輯。在交通燈控制窗口任意空白處雙擊，彈出用戶窗口屬性設置，選擇循環(huán)腳本，將時間設置成200ms，進入腳本編輯，編程如圖.圖SEQ圖_\*ARABIC30交通燈小車運行腳本圖5.3多種液體自動控制系統(tǒng)點開用戶窗口，新建一個窗口，將窗口命名為多種液體自動混合。進入多種液體自動混合窗口進行組態(tài)畫面制作，打開工具箱，點擊插入元件選擇反儲存罐22作為混合液體容器，選擇傳感器作為感應液位高度，用指示燈顯示；選用閥116作為電磁閥，用流動塊連接，用兩個指示燈分別表示攪拌機與加熱器；繪制按鈕調整好合適的大小放到相應位置。如圖所示：圖SEQ圖_\*ARABIC31多種液體自動混合系統(tǒng)畫面圖打開實時數據庫，定義好多種液體自動混合項目所需要用到的一些變量，根據控制要求進行定義修改。動畫鏈接點擊啟動按鈕選擇操作屬性，將數據對象值操作選定按1松0，關聯對應變量。雙擊容器，對大小變化進行變量關聯；雙擊四個電磁閥，進行填充色關聯相應的變量，兩端流動塊關聯變量一致；傳感器的指示燈關聯液位高度變量；攪拌機、加熱器指示燈關聯對應變量。對容器的控制對象進行腳本編輯。圖SEQ圖_\*ARABIC32多種液體混合運行圖6連機調試 6.1調試準備工作首先點擊設備窗口圖標，打開設備窗口界面。在設備組態(tài)窗口中點擊右鍵或者單擊按鈕，從而進入設備工具箱，如圖：圖SEQ圖_\*ARABIC33設備工具箱雙擊工具箱中的串口通訊父設備，便將其添加到設備組態(tài)窗口，用同樣的方法能夠把西門子S7．200PPI添加到設備組態(tài)窗口；也可以通過點擊設備管理里面添加所需的設備。如圖：圖SEQ圖_\*ARABIC34設備管理窗口用下載線連接好PC端和PLC裝置，準備工作完成。6.2水塔水位自動控制 項目組態(tài)畫面和PLC程序完成下載之后就可以進行聯機調試了，調試過程如下：進入歡迎畫面，點擊登錄按鈕，輸入正確密碼后啟動項目選擇界面。圖SEQ圖_\*ARABIC35登錄界面按下水塔水位自動控制按鈕，進入水塔水位自動控制組態(tài)畫面，控制組態(tài)仿真運行。圖SEQ圖_\*ARABIC36項目選擇界面點擊啟動按鈕，系統(tǒng)開始運行，當水塔水面處于水塔下限位時，水泵1啟動向水塔供水，到達上限位后水泵1停止，不再向水塔供水；當水池水面處于水池下限位時，水泵2啟動向水塔供水，到達上限位后水泵2停止，不再向水池供水。系統(tǒng)循環(huán)運行圖SEQ圖_\*ARABIC37水塔水位自動控制運行圖按下停止按鈕，水泵停止向水塔、水池供水，系統(tǒng)處于停止狀態(tài)。圖SEQ圖_\*ARABIC38系統(tǒng)停止畫面按下返回按鈕，退出該系統(tǒng)的模擬運行，進入目錄選擇界面。圖SEQ圖_\*ARABIC39選擇界面6.3交通燈控制系統(tǒng)調試過程如下：在目錄選擇界面，按下交通燈控制按鈕，進入交通燈控制組態(tài)畫面。按下啟動S1按鈕，系統(tǒng)開始運行。東西兩個方向的路口同時顯示紅燈,南北兩條方向路口的綠燈顯示亮起,開始放車通行;南北綠燈顯示閃爍三下后黃燈點亮,兩秒后南北方向路口顯示亮紅燈,南北停車通行;東西兩個方向的顯示綠燈,開始同時放行,東西兩個方向綠燈顯示閃爍三下后黃燈點亮,兩秒后東西方向路口顯示亮紅燈,東西方向停車通行。系統(tǒng)循環(huán)運行。圖SEQ圖_\*ARABIC40交通燈控制系統(tǒng)運行圖按下S3屏蔽按鈕，交通信號燈不顯示，系統(tǒng)正常運行；抬起S3屏蔽按鈕，交通信號燈恢復。圖SEQ圖_\*ARABIC41屏蔽交通燈畫面按下停止S2按鈕，交通信號燈熄滅，系統(tǒng)處于停止運行狀態(tài)。圖SEQ圖_\*ARABIC42交通燈控制系統(tǒng)停止運行圖按下返回按鈕，退出該系統(tǒng)的模擬運行，進入目錄選擇界面。圖SEQ圖_\*ARABIC43選擇界面6.4多種液體自動混合在目錄選擇界面，按下多種液體自動混合按鈕，進入多種液體自動混合組態(tài)畫面。按下啟動按鈕，電磁閥y1啟動，液體A流入容器，液面上升至L3高度時，電磁閥y1關閉,液體A停止流入；電磁閥y2啟動，液體B流入容器，液面上升至L2高度時，電磁閥y2關閉，液體B停止流入;電磁閥Y3啟動，液體C流入容器，液面上升至L1高度時，電磁閥y3關閉，液體C停止流入。圖SEQ圖_\*ARABIC44多種液體自動混合系統(tǒng)運行圖攪拌機啟動，攪拌3s后，加熱器開始加熱，加熱至設定溫度后，攪拌機、加熱器停止運行。電磁閥y4開啟，混合液體開始排出，當液面下降到L3高度時，延時5s，電磁閥y4關閉，混合液體停止排放。按下返回按鈕，退出該系統(tǒng)的模擬運行，返回目錄選擇界面。7設計總結通過MCGS觸摸屏和PLC設備西門子-s7200對水塔水位自動控制、交通