基于組態王的四層電梯仿真實訓平臺設計

羅超

（云南省電子信息高級技工學校，昆明650225）

傳統的PLC實訓系統存在直觀性差、建設空間和面積占用大等缺點。在此，基于組態王設計四層電梯仿真實訓平臺，詳細闡述平臺的設計和構建過程，這為同類院校構建類似仿真實訓平臺提供借鑒和參考，在教學試用中，效果良好。

組態軟件；組態王；四層電梯；PLC；仿真平臺；實驗平臺

0 引言

《可編程序控制器》是實踐性和應用性都很強的一門課程，是電氣信息類等專業的必修課，實驗實訓教學是該課程的一個重要環節[1-2]。在PLC的實訓教學中，傳統的PLC實訓系統采用模擬屏結合指示燈的方法進行演示[3]，學生無法直觀看到系統真實被控對象的動作狀態及工藝流程，直觀性差，同時也降低了實驗效果和學生對PLC實驗的興趣[3]。要想逼真地演示系統中被控對象的動作狀態及工藝流程（如液位變化、接觸器動作、指示燈點亮、傳感器狀態、電動機運轉、控制系統工藝流程等），必須提供真實的被控對象（如儲水罐、電磁閥、接觸器、指示燈、電動機、傳感器等）。然而，真實的系統被控對象存在占地面積大、空間需求高、質量大、價格高、出現問題不易維修等缺點[3-4]，不利于學校實訓教學的開展。在此，以四層電梯仿真實訓平臺構建為例，設計了基于組態王的PLC四層電梯仿真實訓平臺，詳細闡述了平臺的構建過程和構建方法，這為實訓室建設空間受限、面積有限的職業院校開發、構建類似仿真實訓平臺提供了借鑒和參考。同時，由于仿真平臺可以以動畫方式直觀展示系統運行狀態和工藝流程，這提升了實訓教學的趣味性和直觀性，有利于增強學生學習的興趣和主觀能動性，達到錘煉學生設計復雜PLC程序的能力。

1 仿真實訓系統組成

四層電梯仿真實訓系統由安裝于上位機計算機的基于組態王6.55開發的仿真實訓平臺和下位機PLC軟硬件組成，如圖1所示。①仿真實訓平臺由模擬生產實際中的各種輸入設備、被控對象及執行元件等圖形對象、變量及程序構成，用于直觀展示控制系統運行時各種器件的動作狀態和運行工藝；②下位機PLC的軟硬件用于執行學生編寫的PLC程序。

圖1 仿真實訓平臺構成

2 仿真實訓平臺的構建

2.1 仿真實訓平臺組成

圖2是已開發完成的四層電梯仿真實訓平臺，主要由一個個不同種類和作用的圖素對象堆砌而成，包括指令元件（外召按鈕、轎廂內選按鈕、平層傳感器、上下終端保護開關等）、執行元件（曳引電動機、門機電動機、外召顯示及方向、轎廂顯示及方向等）和生產環境（機房、轎廂、井道、底坑、曳引輪、導向輪、曳引鋼絲繩、層門、緩沖器、限速器等）等。從圖2中可看出，要構建四層電梯仿真實訓平臺，必須逐一設計、制作一個個的單個圖形對象，最后將這些圖形對象組態為仿真平臺的圖形畫面。這些圖形對象有的從組態王圖庫中直接調用，有的需要人為使用組態王工具箱制作，有的甚至需要編寫與圖形對象相關的組態王C語言程序，才能保證圖形對象的正常運行。

圖2 四層電梯仿真實訓平臺

2.2 制作圖形對象

圖2中，因四層電梯仿真實訓平臺的組成圖形對象較多，難以一一列舉。在此，僅以樓層顯示器圖素對象為例，詳細闡述復雜圖素對象的設計和構建過程。

樓層顯示器主要用于在轎廂和層站處顯示電梯轎廂當前所處樓層的位置，如圖3（a）所示。在仿真實訓平臺中，要構建樓層顯示器，須經歷以下步驟。①制作單個“8”字形圖形對象。每個“8”是由7條“-”直線圖形對象構成，每條“-”直線對象均是獨立的圖形對象且有自己的動畫連接屬性。在此，使用組態王開發環境的工具箱“直線”工具，依次繪制8條直線，并排列為8字形。②定義變量。在組態王的數據詞典中定義7個離散型變量a，b，c，d，e，f，g（因每個“8”由7條“-”直線對象構成，因此需要定義7個離散變量），每個離散變量對應一條“-”直線圖形對象。③建立動畫連接。在每條直線對象的“線屬性”動畫連接中，建立7個離散變量與7條直線圖形對象（每個”8”由7條直線構成）之間的動畫連接。系統運行時，通過每個離散變量值（0或1）的變化，控制每條直線對象顯示不同的顏色，通過7個離散變量值的變化的組合，實現字符0～9的顯示，這類似于七段數碼管的顯示。④制作圖素精靈。利用組態王中的“創建圖素精靈”命令，將上述步驟中已建立動畫連接的單個”8”字形圖形對象轉換為圖素精靈，并保存于組態王的圖庫中。在此，創建圖素精靈的目的在于可以重復使用該圖形對象。⑤構建樓層顯示器。如圖3（a）所示，樓層顯示器由兩個單個“8”字形的圖形對象和一個矩形圖形對象（黃色底色）構成。因此，從組態王的圖庫中調取兩個”8”字形圖庫精靈并繪制一個填充色為黃色的矩形圖形對象，經排列、對齊，構成完整的樓層顯示器。⑥創建自定義譯碼函數。該函數主要實現待顯示字符0～9到七段數碼管之間字型碼的譯碼功能。⑦調試驗證。此處主要用于驗證程序運行時，樓層顯示器是否正確顯示，自定義譯碼函數是否正確。運行中的樓層顯示器如圖3（b）所示。至此，整個樓層顯示器圖素對象構建完畢。實際開發中，也可將樓層顯示器創建為圖素精靈，以方便重復使用。另外，圖形對象的制作也可參見文獻[5-6]。

圖3 樓層顯示器動作前后圖素對象效果對比

2.3 構建仿真平臺畫面

根據上述樓層顯示器的制作方法，繪制、制作圖2中四層電梯仿真實訓平臺所需的圖素對象和圖素精靈，定義相應的變量，建立動畫連接，構建完成四層電梯仿真實訓平臺。為使仿真實訓平臺產生滿足工藝要求的動畫效果，還應根據工藝流程需要，建立一些輔助的內存變量，用于控制電梯轎廂升降、曳引輪旋轉等動畫效果，在此不作詳述。

2.4 編寫命令語言程序

在完成四層電梯仿真實訓平臺畫面構建后，應根據四層電梯運行控制要求，編寫滿足工藝要求的輔助命令語言程序，以保證滿足工藝要求的動畫效果和仿真平臺的正常運行。由于組態王的應用程序命令語言和畫面命令語言采用的是類似MCS-51單片機的循環輪詢程序執行方式，為保證程序邏輯和編程者思維的清晰，根據經驗，應盡量采用有限狀態機的方法編制組態王的命令語言程序。在單片機中，狀態機一般采用C語言的switch語句實現，但是，由于組態王不支持switch語句，狀態機程序可以采用if…else語句實現。

此外，在構建組態王的仿真實訓平臺時，為方便調試程序（與下位機PLC程序無關），可先把所變量定義為內存變量，待上位機組態王仿真實訓平臺開發、調試成功后，再將必要的變量修改為I/O變量，與下位機PLC進行聯調。

2.5 調試仿真平臺

在完成上述工作后，在組態王中運行仿真平臺，調試、驗證仿真平臺的正確性。至此，仿真實訓平臺開發完畢。

3 仿真實訓系統的使用

為保證仿真實訓系統的正常使用，開展實驗時，應完成以下步驟。①給出I/O變量表。實驗時，應給出四層電梯仿真實訓平臺與下位機PLC鏈接軟元件的I/O變量表，以供學生編寫PLC程序時使用。②設置通信參數。應在學生實驗前，設置好上位計算機和下位PLC的通信參數，保證計算機和PLC通信正常。③編寫PLC程序。根據步驟1中給出的I/O變量，學生自行編寫四層電梯的PLC程序，之后將編寫完的PLC程序下載到的PLC中。④運行仿真實訓系統。同時運行四層電梯仿真實訓平臺和下位機PLC中的程序。據四層電梯控制要求，在仿真實訓平臺中操作外召按鈕、轎廂內選按鈕等指令元件，觀察PLC程序執行時，仿真實訓平臺中的各種元器件是否按工藝要求產生相應動作和動畫。若各種對象按工藝要求產生動作動畫，說明PLC中的梯形圖程序編寫正確，反之，說明PLC中程序存在錯語。應分析、判斷PLC程序的出錯原因，反復調試PLC程序，直到PLC程序滿足工藝要求。與PLC處于聯調狀態、運行中的四層電梯仿真實訓平臺如圖4（a）、（b）所示。注意：實訓教學時，仿真實訓平臺已由教師開發完成且保證上下位機通信正常，學生只需按給定的變量表，編寫PLC程序，通過觀察仿真實訓平臺中各種對象的動作和狀態，調試PLC程序即可。

圖4 運行中的仿真實訓平臺

4 結語

四層電梯仿真實訓平臺能以動畫的方式直觀展示系統中各部件的動作狀態及運行工藝。它彌補了傳統實訓系統直觀性差的缺點，有利于激發學生的學習興趣，提高學生學習的主動性，增強學習效果和學習的趣味性。同時，它也為資金匱乏、實驗場地建設受限的院校構建類似仿真實訓平臺提供借鑒和參考。在教學試用中，效果良好。