組態(tài)王在PLC課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：PLC的教學(xué)枯燥難懂，學(xué)生對(duì)編制出來的程序能否執(zhí)行沒有成就感。利用“組態(tài)王6.51”這款人機(jī)界面軟件，結(jié)合三菱FX2N系列PLC設(shè)計(jì)出十字路口的交通燈監(jiān)控系統(tǒng)，形象直觀，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)PLC程序的編制有很好的教學(xué)意義。

關(guān)鍵詞：組態(tài)王；PLC；交通燈；程序設(shè)計(jì)

本人在學(xué)校工作，長期進(jìn)行高職班PLC等課程的教學(xué)。在指導(dǎo)學(xué)生編制PLC程序時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果僅僅在課堂授課，講授順序指令，學(xué)生很難聽懂，更談不上順利地編寫程序和調(diào)試、接線等技能的培養(yǎng)。而采用組態(tài)王這種模擬現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)畫軟件來組織實(shí)施PLC順序指令的學(xué)習(xí)，非常形象直觀，學(xué)生既學(xué)習(xí)了理論知識(shí)，又結(jié)合實(shí)際工藝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，取得很好的教學(xué)效果。本文以十字路口交通燈監(jiān)控系統(tǒng)為例，來說明組態(tài)王在PLC課程教學(xué)中的應(yīng)用。

道路十字路口是交通網(wǎng)中通行能力的“隘口”和交通事故的“多發(fā)源”。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外城市的公路交通事故約有一半發(fā)生在十字路口，城市中的交通事故約有70%發(fā)生在十字路口及其附近。因此，設(shè)計(jì)適應(yīng)各種需要的交通信號(hào)燈，對(duì)緩解交通阻塞，提高暢通率具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)PLC程序的編制更有很好的教學(xué)意義。

一、組態(tài)王介紹

“組態(tài)王6.51”是運(yùn)行于中文平臺(tái)上全中文界面的人機(jī)界面軟件，窗體框架結(jié)構(gòu)，界面直觀，易學(xué)易用。它采用了多線程、COM組件等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該軟件包有工程管理器、工程瀏覽器、畫面開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)四部分

組成。

工程管理器：它是計(jì)算機(jī)內(nèi)所有應(yīng)用工程的統(tǒng)一管理環(huán)境。

它具有很強(qiáng)的管理功能，可用于新工程的創(chuàng)建及刪除，并能對(duì)已有工程進(jìn)行搜索、備份及有效恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能。

工程瀏覽器：它是應(yīng)用工程的設(shè)計(jì)管理配置環(huán)境，進(jìn)行應(yīng)用工程的程序語言的設(shè)計(jì)、變量定義管理、連接設(shè)備的配置、開放式接口的配置、系統(tǒng)參數(shù)的配置、WEB發(fā)布管理、第三方數(shù)據(jù)庫的管理等。

畫面開發(fā)系統(tǒng)：它是應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境。就是在這個(gè)環(huán)境中完成畫面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫連接、程序編寫等工作。它具有先進(jìn)完善的圖形生成功能；數(shù)據(jù)詞典可以提供多種數(shù)據(jù)類型，能合理地提取控制對(duì)象的特性；對(duì)變量報(bào)警、趨勢(shì)曲線、過程記錄、安全防范等重要功能進(jìn)行簡捷的操作。

運(yùn)行系統(tǒng)：它是“組態(tài)王6.51”軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，在應(yīng)用工程的開發(fā)環(huán)境中建立的圖形畫面，只有在運(yùn)行系統(tǒng)中才能實(shí)時(shí)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況。它負(fù)責(zé)在控制設(shè)備中采集數(shù)據(jù)，并存在于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。它還負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)庫的變化以動(dòng)畫的方式形象地表示出來，同時(shí)可以完成變量報(bào)警、操作記錄、趨勢(shì)曲線等監(jiān)視、存儲(chǔ)功能，并按實(shí)際需求記錄到歷史數(shù)據(jù)中。

組態(tài)王作為一個(gè)開放型的通用工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，支持工控行業(yè)中的大部分的國內(nèi)常見的測(cè)量控制設(shè)備，遵循工控行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，采用開放接口，提供第三方軟件的連接，用戶無須關(guān)心復(fù)雜的通信協(xié)議代碼、無須編寫大量的圖形生成、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理程序代碼就可以方便快捷地進(jìn)行設(shè)備的連接、畫面的開發(fā)、簡單程序的編寫從而完成一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

二、設(shè)計(jì)過程

1.系統(tǒng)控制要求

十字路口信號(hào)燈受一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)控制，當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)接通時(shí)，信號(hào)燈系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)斷開時(shí)，所有信號(hào)燈都熄滅。南北紅燈亮持續(xù)25秒，在南北紅燈亮的同時(shí)東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時(shí)，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時(shí)，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時(shí)，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)，南北紅燈熄滅，綠燈亮。東西紅燈亮持續(xù)30秒。南北綠燈亮維持20秒，然后閃亮3秒后熄滅。同時(shí)南北黃燈亮，維持2秒后熄滅，這時(shí)南北紅燈亮，東西綠燈亮，周而復(fù)始。

2.I/O分配（略）

3.工作過程

當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)SD合上時(shí)，X000觸點(diǎn)接通，Y002得電，南北紅燈亮；同時(shí)Y002的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，Y003線圈得電，東西綠燈亮。1秒后，T12的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，Y007線圈得電，模擬東西向行駛車的燈亮。維持到20秒，T6的動(dòng)合觸點(diǎn)接通，與該觸點(diǎn)串聯(lián)的T22動(dòng)合觸點(diǎn)每隔0.5秒導(dǎo)通0.5秒，從而使東西綠燈閃爍。又過3秒，T7的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，Y003線圈失電，東西綠燈滅；此時(shí)T7的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合、T10的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，Y004線圈得電，東西黃燈亮，Y007線圈失電，模擬東西向行駛車的燈滅。再過2秒后，T5的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，Y004線圈失電，東西黃燈滅；此時(shí)起動(dòng)累計(jì)時(shí)間達(dá)25秒，T0的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，Y002線圈失電，南北紅燈滅，T0的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，Y005線圈得電，東西紅燈亮，Y005的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，Y000線圈得電，南北綠燈亮。1秒后，T13的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，Y006線圈得電，模擬南北向行駛車的燈亮。又經(jīng)過25秒，即起動(dòng)累計(jì)時(shí)間為50秒時(shí)，T1動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，與該觸點(diǎn)串聯(lián)的T22的觸點(diǎn)每隔0.5秒導(dǎo)通0.5秒，從而使南北綠燈閃爍；閃爍3秒，T2動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，Y000線圈失電，南北綠燈滅；此時(shí)T2的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合、T11的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，Y001線圈得電，南北黃燈亮，Y006線圈失電，模擬南北向行駛車的燈滅。維持2秒后，T3動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，Y001線圈失電，南北黃燈滅。這時(shí)起動(dòng)累計(jì)時(shí)間達(dá)5秒鐘，T4的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，T0復(fù)位，Y003線圈失電，即維持了30秒的東西紅燈滅。上述是一個(gè)工作過程，然后再周而復(fù)始地進(jìn)行。

4.梯形圖程序（略）

5.組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

第一，新建工程。啟動(dòng)“組態(tài)王”工程管理器。首先創(chuàng)建工程路徑，選擇菜單“文件＼新建工程”或單擊“新建”按鈕，彈出新建工程向?qū)?；單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е?duì)話框”。在工程路徑文本框中輸入一個(gè)有效的工程路徑為：C：＼program files＼kingview＼ dynamos＼**的模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。單擊“下一步”繼續(xù)。彈出“新建工程向?qū)е龑?duì)話框”。在工程名稱文本框中輸入工程的名稱：**的模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在工程描述文本框中輸入描述文字為：使用組態(tài)王進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)，單擊“完成”。

第二，設(shè)備連接。利用PLC與計(jì)算機(jī)專用的F2-232CAB型

RS232C電纜，將PLC通過編程口與上位計(jì)算機(jī)串口（COM口）連接，進(jìn)行串行通訊。串行通訊方式使用“組態(tài)王計(jì)算機(jī)”的串口，I/O設(shè)備通過RS-232串行通訊電纜連接到“組態(tài)王計(jì)算機(jī)”的串口。

第三，設(shè)備配置。在組態(tài)王工程瀏覽器的工程目錄顯示區(qū)，點(diǎn)擊“設(shè)備”大綱項(xiàng)下PLC與上位計(jì)算機(jī)所連串口（COM口），進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)設(shè)備配置向?qū)Ь涂梢酝瓿纱谠O(shè)備的配置，操作步驟如下：

（1）在工程瀏覽器的目錄顯示區(qū)，用鼠標(biāo)左鍵單擊大綱項(xiàng)設(shè)備下的成員COM1或COM2，則在目錄內(nèi)容顯示區(qū)出現(xiàn)“新建”圖標(biāo)，選中“新建”圖標(biāo)后用左鍵雙擊，彈出“設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框，設(shè)備選擇PLC，生產(chǎn)廠家：三菱，設(shè)備名稱：FX2N，通訊方式：串行。

（2）單擊“下一步”按鈕，則彈出如下設(shè)備配置向?qū)?duì)話框，給要配置的串口設(shè)備指定一個(gè)邏輯名稱：新IO設(shè)備。

（3）繼續(xù)單擊“下一步”按鈕，則彈出如下設(shè)備配置向?qū)?duì)話框，與設(shè)備連接的串口選擇：COM2。

（4）繼續(xù)單擊“下一步”按鈕，則彈出如下設(shè)備配置向?qū)?duì)話框，串口設(shè)備指定設(shè)備地址設(shè)置為1。

（5）繼續(xù)單擊“下一步”按鈕，則彈出如下設(shè)備配置向?qū)?duì)話框。

（6）不修改通訊參數(shù)，單擊“下一步”按鈕，則彈出如下設(shè)備配置向?qū)?duì)話框，單擊“完成”按鈕，則工程瀏覽器設(shè)備節(jié)點(diǎn)處顯示已添加的串口設(shè)備。

第四，構(gòu)造數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”軟件的核心部分。在工程瀏覽器的目錄顯示區(qū)中，用鼠標(biāo)單擊大綱項(xiàng)數(shù)據(jù)庫下的成員數(shù)據(jù)詞典，則在右邊的目錄內(nèi)容顯示區(qū)中列出了數(shù)據(jù)詞典里的所有變量（包括組態(tài)王系統(tǒng)變量和用戶自定義變量）的簡要信息，包括變量名、ID號(hào)、變量類型、連接設(shè)備、寄存器。在工程管理器中，選擇“數(shù)據(jù)庫＼數(shù)據(jù)詞典”，雙擊“新建圖標(biāo)”，彈出“變量屬性”對(duì)話框。

新建的變量（略）。

第五，設(shè)計(jì)圖形界面并建立動(dòng)畫連接。在組態(tài)王“畫面”上創(chuàng)建十字路口紅、黃、綠交通信號(hào)燈的控制示意圖，具體步驟如下：

（1）在工程瀏覽器的目錄顯示區(qū)中，雙擊“畫面”圖標(biāo)，再雙擊“新建”圖標(biāo)，將新建的畫面命名為：十字路口交通燈模擬控制，點(diǎn)擊“確定”。

（2）建立啟動(dòng)和停止按鈕，分別雙擊，選定它們對(duì)應(yīng)的變量，點(diǎn)擊“確定”。

（3）使用工具箱，在該畫面上輸入畫面的名稱：十字路口交通燈模擬控制。按F2鍵，打開圖庫，將信號(hào)燈復(fù)制粘貼，做成東西南北四個(gè)方向的紅黃綠燈，同時(shí)在它們旁邊標(biāo)注其名稱，然后分別雙擊這些紅綠燈，設(shè)定它們分別對(duì)應(yīng)的變量Y0-Y5，同時(shí)設(shè)定它們的正常工作顏色與報(bào)警顏色，設(shè)定之后點(diǎn)擊“確定”。（注意：東西方向、南北方向的紅黃綠燈它們對(duì)應(yīng)的同顏色的燈對(duì)應(yīng)的變量相同）

（4）在畫面上用工具箱中的畫線功能畫出模擬的十字路口，在畫面的空白處繪制本實(shí)驗(yàn)面板中的左面部分即畫面的注釋部分。

（5）在畫面上的工具箱中點(diǎn)擊“點(diǎn)位圖”圖標(biāo)，再在畫面上空白處做一個(gè)大小適中的點(diǎn)位圖，再在點(diǎn)位圖上單擊右鍵，選擇“從文件中加載”，再將已經(jīng)準(zhǔn)備好的小車畫面從桌面中調(diào)入到開發(fā)系統(tǒng)中，將其大小調(diào)節(jié)適當(dāng)后，復(fù)制四份，作為向四個(gè)方向行駛的小車，分別將它們?cè)O(shè)置在適當(dāng)?shù)奈恢?，并雙擊它們，進(jìn)行動(dòng)畫連接：分別點(diǎn)擊“水平移動(dòng)”和“垂直移動(dòng)”，在彈出的對(duì)話框中，先選擇它們分別對(duì)應(yīng)的變量：控制速度、控制速度1。再分別根據(jù)小車的具體開往方向決定向左右移動(dòng)還是上下移動(dòng)，以及移動(dòng)距離的大?。阂韵虮毙械男≤嚍槔?，移動(dòng)距離向上600，下行0，對(duì)應(yīng)值最上面600，最下面0，點(diǎn)擊“確定”。

（6）在畫面的任意處單擊右鍵，選擇“畫面屬性”，彈出對(duì)話框，點(diǎn)擊“命令語言”，將時(shí)間設(shè)定為500ms，輸入事先編好的命令語言程序，點(diǎn)擊“確定”。

（7）在畫面的右下角建立一個(gè)按鈕，注明：退出，雙擊它，點(diǎn)擊“命令語言”，在函數(shù)中選擇“Show picture”函數(shù)，將“picture name”設(shè)為“模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)”，點(diǎn)擊“確定”。

（8）再次確定一下是否有變量設(shè)定錯(cuò)誤，以及動(dòng)畫連接是否有錯(cuò)誤，若沒有，則點(diǎn)擊“文件”中的“全部存”。詳細(xì)圖形見組態(tài)王軟件系統(tǒng)。

第六，系統(tǒng)運(yùn)行。在工程管理器的右邊的目錄內(nèi)容顯示區(qū)中單擊鼠標(biāo)右鍵，則彈出浮動(dòng)式菜單，點(diǎn)擊“切換到View”，系統(tǒng)則進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行交通信號(hào)燈的控制。將PLC開關(guān)指向“RUN”狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕，觀察交通信號(hào)燈系統(tǒng)的控制結(jié)果。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，動(dòng)畫效果良好。

6.交通信號(hào)燈控制的設(shè)計(jì)實(shí)際效果圖

十字路口交通燈控制效果圖（略）。

7.模擬腳本設(shè)計(jì)（命令語言程序）（略）

三、結(jié)論

本文以十字路口交通燈系統(tǒng)作為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于三菱FX2N系列PLC和“組態(tài)王6.51”的交通燈監(jiān)控系統(tǒng)。在組態(tài)王控制界面上顯示出了十字路口的交通燈運(yùn)行情況，讓交通燈運(yùn)行時(shí)間的減計(jì)數(shù)并在編程中給出了減計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)思想和方法。同時(shí)，在窗口界面上用動(dòng)畫的方式模仿了實(shí)際車輛在交通路口可能的運(yùn)行方式，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加合理、更形象直觀。學(xué)生在學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)時(shí)，也可以簡單直觀地發(fā)現(xiàn)問題，得出結(jié)果。實(shí)際運(yùn)行也表明，運(yùn)用組態(tài)王與PLC設(shè)計(jì)的十字路口交通燈控制界面，人機(jī)界面友好直觀、取代了傳統(tǒng)的控制柜和模擬屏顯示的工藝流程，使開發(fā)周期縮短，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、靈活，易于擴(kuò)展，對(duì)于其他自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)具有很強(qiáng)的借鑒意義。

不足之處在于：各個(gè)模擬設(shè)計(jì)在軟件調(diào)試的時(shí)候經(jīng)常會(huì)發(fā)生畫面不按照命令語言正常運(yùn)行的情況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，每次運(yùn)行之前只要將要運(yùn)行的畫面重新存儲(chǔ)一次，就可以避免這種情況再次發(fā)生。而且，不同畫面的變量在數(shù)據(jù)庫中可以共用一個(gè)變量，這樣就節(jié)省了很多不必要的新建變量，更重要的是可以節(jié)省寶貴的時(shí)間。

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（作者單位 江蘇省宿遷中等專業(yè)學(xué)校）