PLC實(shí)驗監控系統的開(kāi)發(fā)與設計

目前新型工業(yè)自動(dòng)控制系統被劃分為控制級、監控級和管理級三層結構。監控級的硬件以工業(yè)控制機(IPC)為主，其軟件采用工業(yè)組態(tài)軟件，實(shí)現完成現場(chǎng)數據采集、實(shí)時(shí)和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢曲線(xiàn)和報表輸出以及企業(yè)監控網(wǎng)絡(luò )等功能；PLC作為現代工業(yè)控制的三大支柱之一，以其可靠性高，通用性強，使用方便和較強的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。
1、現狀與存在的問(wèn)題
PLC的廣泛應用要求培養出更多熟悉其應用的技術(shù)人才，為此各個(gè)工科院校均開(kāi)設了PLC相關(guān)課程，以加強學(xué)生對該技術(shù)的熟悉與掌握，實(shí)驗環(huán)節又是PLC課程教學(xué)的重要環(huán)節，屬于工程技術(shù)類(lèi)實(shí)驗，設備要求高。各學(xué)校的PLC實(shí)驗課程都是在PLC單機下來(lái)運行控制某一個(gè)模擬對象，是簡(jiǎn)的控制方式；另外即使配備有以科教儀器為模擬對象的PLC實(shí)驗也只是比較單一，并且實(shí)驗結果也比較呆板。更重要的是不能反映當前新型工業(yè)自動(dòng)控制系統的現狀，不能滿(mǎn)足目前計算機監控系統的要求。
2、PLC計算機監控制系統的設計
根據以上分析及目前各高校實(shí)驗室的實(shí)際現狀，筆者開(kāi)發(fā)研究了以PC機作為上位監控機，實(shí)驗裝置作為被控對象，PLC作為控制級的計算機監控系統。選用PLC(選用三菱FX—ON—MR60一PLC)作為實(shí)驗科教儀器對象的控制器(下位機)，實(shí)施對模擬對象的檢測及控制，完成工業(yè)控制層的控制。為使系統有較理想的控制效果及監控性能，選用計算機作為上位監控機，通過(guò)計算機和PLC的通信，借助工控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)監控軟件，實(shí)現實(shí)時(shí)監督與控制，方便操作、維護與集中管理的多級控制系統。既能豐富實(shí)驗課的教學(xué)內容，增強實(shí)驗課的教學(xué)效果，同時(shí)使學(xué)生能直觀(guān)地通過(guò)監視界面，看到對象的動(dòng)作和PLC的工作情況，也擴展了知識面，增加了學(xué)生的學(xué)習興趣，活躍了實(shí)驗課堂的氣氛，使原本很枯燥的學(xué)習變得生動(dòng)起來(lái)。圖1為計算機監控系統原理圖。

圖1 計算機監控系統原理圖
2．1 系統的組成
開(kāi)發(fā)設計的實(shí)驗系統是以三菱FXON-6OMR PLC為控制器，可編程控制器實(shí)驗裝置為研究對象完成平時(shí)的PLC實(shí)驗與開(kāi)發(fā)，及選擇裝有MCGS組態(tài)軟件和FXGP—WIN—C的FXON—PLC的編程軟件的計算機一臺。
選擇組態(tài)軟件設計友好的人機監控界面，控制PLC實(shí)現對科教儀器設備所提供的模擬被控對象的控制，包括模擬電機正反轉、十字路口交通燈控制、八段數碼管顯示、水塔水位
控制、電梯控制、彩燈控制等模擬對象。
被控對象是以科教儀器設備提供的模擬對象，它的數量有限不能*反映常用的PLC應用實(shí)例。以PC機作為“仿真模擬對象”，通過(guò)組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)，對一些工業(yè)過(guò)程進(jìn)行組態(tài)來(lái)仿真真實(shí)對象，以擴展PLC實(shí)驗的內容。例如自動(dòng)售貨機，工業(yè)機械手的控制等。圖2給出了結合科教儀器設備提供的模擬對象和以Pc機為“控制對象”所開(kāi)發(fā)出的PLC監控實(shí)驗系統的界面圖。其中MCGS主要是實(shí)時(shí)監示各PLC的實(shí)際運行情況，并在CRT屏幕上進(jìn)行動(dòng)畫(huà)顯示，使實(shí)驗過(guò)程比較逼真。圖2給出了14個(gè)實(shí)驗過(guò)程，監控實(shí)驗系統包括了從PLC的基礎練習，到實(shí)際工程應用；一部分是直接控制科教儀器設備上的模擬對象，另一部分是在計算機上進(jìn)行的“仿真模擬對象”。
2．2 PC機和PLC的通信
PLC的通信控制和串行通信接口集中于PLC的通信模塊上。通信模塊中包括通信功能所需要的硬件資源和實(shí)現通信的系統程序。PLC通信模塊的作用是在PLC和PC或PLC之間建立數據通信通道。通信模塊的用途有：編程、檢查程序、控制工程方式、監控運行狀態(tài)及改變I／O狀態(tài)等。PLC網(wǎng)絡(luò )通信方式有多種，由于串行通信不需要專(zhuān)門(mén)的通信模塊就可以實(shí)現一種簡(jiǎn)單的通信連接，設計中采用串行通信，使一臺PLC和一臺主機相連，主機除負責監控PLC的運行狀態(tài)外，還可以直接發(fā)布命令控制PLC的工作，PLC負責現場(chǎng)控制級的自動(dòng)控制。
在系統中，首先把PLC和計算機相連，按照RS一232的通訊協(xié)議設定好。在其軟件的編程環(huán)境下編寫(xiě)下位機的控制程序，再將其寫(xiě)入PLC中。然后把MCGS中的軟按鈕和PLC設定的開(kāi)關(guān)一一對應，從而實(shí)現計算機對PLC控制，并使其按編寫(xiě)的PLC程序控制模擬對象。
2．3 控制層設計
結合FXON一60MR PLC和PLC—I型可編程控制器實(shí)驗裝置，對每個(gè)實(shí)驗對象按照要求進(jìn)行設計，合理分配PLC的各I／O端口，并和模擬對象正確接線(xiàn)，使其外部接線(xiàn)按照各輸入／輸出點(diǎn)及科教儀器的對應接線(xiàn)孔和PLC的硬件接線(xiàn)要求進(jìn)行連線(xiàn)。并且在FXGP—WIN— C的FXON—PLC的編程軟件下進(jìn)行編程，畫(huà)出其梯形流程圖，并經(jīng)計算機對PLC在線(xiàn)編程。采用計算機完成的“仿真模擬對象”只按工作時(shí)序邏輯要求進(jìn)行在線(xiàn)編程，不用連接線(xiàn)路。
3、設計實(shí)例
下面以PLC控制交通信號燈為例，說(shuō)明以計算機為上位機，借助組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)應用軟件，負責PC機和PLC間的通信，實(shí)現監督管理的計算機控制系統，達到監控PLC設備與工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制的目的。
3．1 系統功能
PLC實(shí)現十字路口交通燈的控制系統，其功能通過(guò)設計好的人機控制界面，實(shí)現PLC各個(gè)輸入輸出的狀態(tài)，并在交通管制時(shí)通過(guò)在計算機控制界面上的按鈕實(shí)現特殊情況下，道路交通燈的控制要求。系統的構成由應用軟件和PLC硬件組成，其中MCGS開(kāi)發(fā)的應用軟件主要是實(shí)時(shí)監控十字路口交通燈的運行情況；在交通燈發(fā)生故障時(shí)報警顯示；可通過(guò)在界面上
直接控制交通燈的正常及特殊情況下的運行。PLC主要實(shí)現對交通燈的直接控制。通過(guò)I／O端口的合理分配，以及硬件電路的正確接線(xiàn)，對十字路口交通燈進(jìn)行控制，并通過(guò)軟件編程使交通燈按照預先設定的時(shí)間運行。
3．2 系統調試及運行
在PXGP_WIN—C軟件的編程環(huán)境下，通過(guò)指令表的編程模式編寫(xiě)程序，并設置好PLC與計算機的通訊協(xié)議，選擇COM1，波特率設定為9600bps。檢查程序無(wú)誤后，把程序寫(xiě)入PLC，把PLC撥在“，RUN”狀態(tài)，觀(guān)察PLC的輸入輸出狀態(tài)是否滿(mǎn)足設計要求。此過(guò)程可借助實(shí)驗室中的PLC控制實(shí)驗臺。連接好硬件電路，觀(guān)察十字路口交通燈顯示是否按設計要
求進(jìn)行運行。
運行組態(tài)軟件及應用程序，打開(kāi)設備窗口選擇PLC類(lèi)型及通信方式設置，使用戶(hù)窗口中的屬性設置正確，運行通信窗口檢驗PLC和PC機的通信是否成功。再切換到主控窗口，進(jìn)行系統的聯(lián)調，分別在手動(dòng)下發(fā)布相關(guān)信息，觀(guān)察PLC及交通燈的運行情況，直到實(shí)現按命令控制相應交通燈的變化。
依照電氣原理線(xiàn)路圖和科教儀器進(jìn)行連線(xiàn)，使系統順序通電，按照設計規定的控制流程，使系統依次投入運行。在上位機的控制畫(huà)面中監控PLC的工作，可以實(shí)時(shí)地對PLC進(jìn)行控制。調試MCGS與PLC之間的通訊及控制，完成系統設計工作，以達到滿(mǎn)意的控制效果。
通過(guò)設計PLC的硬件電路和編寫(xiě)程序軟件，以及設計MCGS主控界面。在主控界面點(diǎn)擊啟動(dòng)，PLC開(kāi)始工作，通過(guò)運行寫(xiě)入PLC的程序，觀(guān)察PLC的輸出端口，并在PLC實(shí)驗臺上觀(guān)察模擬的交通燈的顯示?？煽闯鰱|西紅燈亮30秒，南北綠燈亮25秒，閃2秒，黃燈亮3秒。交替循環(huán)，并與MCGS監控主畫(huà)面的動(dòng)畫(huà)鏈接顯示一致，符合設計要求。