王惠莉

（北京聯(lián)合大學(xué) 師范學(xué)院，北京100011）

0 引言

當(dāng)前，PLC技術(shù)已在自動(dòng)控制領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。為順應(yīng)社會(huì)需求，目前，全國(guó)開(kāi)設(shè)有電子、電氣以及工業(yè)自動(dòng)化等專業(yè)的高校都將PLC教學(xué)納入教學(xué)任務(wù)，作為一門必修的專業(yè)課。該課程是一門實(shí)用性、工程性和綜合性很強(qiáng)的專業(yè)課，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，這就要求教師在教學(xué)方面要多結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)，做到“理論聯(lián)系實(shí)際”。因此，PLC實(shí)踐環(huán)節(jié)是該課程的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)裝置性能的好壞對(duì)學(xué)生能力鍛煉有很大的影響［1］。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)許多學(xué)校實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)大都處于滯后于教學(xué)、系統(tǒng)性不夠、綜合性不強(qiáng)的等狀態(tài)。尤其對(duì)于PLC的實(shí)踐教學(xué)，限于資金、設(shè)備及場(chǎng)地等因素，眾多自動(dòng)化控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)都不能展現(xiàn)在學(xué)生面前，造成學(xué)生對(duì)PLC在自控領(lǐng)域的應(yīng)用缺乏感性認(rèn)識(shí)，對(duì)許多控制環(huán)節(jié)缺乏互動(dòng)，理解不透，致使對(duì)課程缺乏興趣。為解決上述問(wèn)題，我設(shè)想能否構(gòu)建仿真的實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，并將其引入實(shí)踐教學(xué)？自接觸了MCGS（Monitorand Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)）組態(tài)軟件后，開(kāi)始對(duì)運(yùn)用MCGS構(gòu)建PLC仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的探究。目前，已初見(jiàn)成效。

MCGS是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司開(kāi)發(fā)的，用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺(tái)上運(yùn)行［2］，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等各種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的使用。

運(yùn)用MCGS開(kāi)發(fā)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)的目的在于將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)匯于一體。使教師只需借助多媒體教學(xué)設(shè)備和一個(gè)PLC主機(jī)，就可以將實(shí)驗(yàn)室以及自動(dòng)化控制現(xiàn)場(chǎng)帶入課堂，在課堂上講授理論知識(shí)以后，當(dāng)堂進(jìn)行演示性操作，從而加深學(xué)生對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)，也更好的培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)PLC學(xué)習(xí)的興趣。

1 PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原則依照PLC從簡(jiǎn)單語(yǔ)句到復(fù)雜程序設(shè)計(jì)的教學(xué)順序，分為兩部分：基本指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練，結(jié)構(gòu)上采用樹形結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主界面

在基本指令系統(tǒng)中每一個(gè)模塊下都細(xì)分為梯形圖、助記符、時(shí)序圖、I／O分配、實(shí)驗(yàn)仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析六個(gè)環(huán)節(jié)，這也是完全遵從PLC從理論到實(shí)踐教學(xué)的規(guī)律。通過(guò)這幾個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生不但可以掌握基本指令的理論知識(shí)，還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)基本指令所能實(shí)現(xiàn)的基本控制互動(dòng)操作，從而對(duì)該指令的應(yīng)用有較深刻地感性認(rèn)識(shí)。

在程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，為了能夠讓學(xué)生建立起一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計(jì)的編程思想，每個(gè)項(xiàng)目模塊都安排了提出控制要求、系統(tǒng)I／O分配、控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計(jì)［3］、助記符轉(zhuǎn)換以及實(shí)驗(yàn)仿真六個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生在完成程序設(shè)計(jì)的同時(shí)，也了解工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)過(guò)程及基本流程。

2 PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

MCGS組態(tài)軟件中的用戶窗口可以放置三種不同類型的圖形對(duì)象［4］：圖元、圖符和動(dòng)畫構(gòu)件。一個(gè)模塊的建立首先要在用戶窗口中通過(guò)圖元、圖符和動(dòng)畫構(gòu)件按方案來(lái)設(shè)計(jì)畫面，然后在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立相應(yīng)的變量，將這些變量與畫面中的元件進(jìn)行對(duì)應(yīng)設(shè)置，通過(guò)對(duì)變量進(jìn)行腳本編輯，就可以使畫面中的元件按照指定控制要求動(dòng)作。由于每一個(gè)模塊不可能由一個(gè)畫面完全展示出來(lái)，所以要建立多個(gè)畫面，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)畫連接，最后進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。

PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是用于教學(xué)演示的組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)，另一部分就是要通過(guò)組態(tài)畫面與PLC聯(lián)機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC實(shí)驗(yàn)的仿真。

系統(tǒng)有一個(gè)主界面，這個(gè)界面是一個(gè)總控平臺(tái)，教師在這個(gè)界面中點(diǎn)擊相應(yīng)模塊的按鈕，就可以進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的教學(xué)。其組態(tài)設(shè)計(jì)流程為：

建立用戶窗口→設(shè)計(jì)畫面→設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)→元件設(shè)置→腳本編輯→動(dòng)畫連接→運(yùn)行調(diào)試。

系統(tǒng)共包括七個(gè)模塊，這七個(gè)模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及組態(tài)實(shí)現(xiàn)方法類似。下面以基本指令系統(tǒng)中計(jì)數(shù)指令模塊為例說(shuō)明之。

3 計(jì)數(shù)指令模塊的設(shè)計(jì)及組態(tài)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)組態(tài)設(shè)計(jì)流程首先在MCGS主界面窗口建立用戶窗口。MCGS組態(tài)軟件提供的圖形、圖符和元件，用戶可以在用戶窗口中構(gòu)造自己所需的各種復(fù)雜圖形界面，構(gòu)建的模擬控制場(chǎng)景［5］。

分析計(jì)數(shù)指令CT的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)典型編程實(shí)例，明確計(jì)數(shù)指令控制要求。按照計(jì)數(shù)指令訓(xùn)練模塊教學(xué)內(nèi)容，計(jì)數(shù)指令CT實(shí)例控制要求為：

1）當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)（X1）＝0且計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)（X0）閉合3次使計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)到3后，顯示燈（Y0）＝1（點(diǎn)亮）。

2）當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)（X1）＝1后，無(wú)論計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)處于何種狀態(tài)，顯示燈滅。

然后對(duì)控制實(shí)例、動(dòng)作要求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)組態(tài)界面構(gòu)成的基本元件及變量，明確變量性質(zhì)，對(duì)組態(tài)元件變量屬性［6］進(jìn)行定義。如表1

表1 計(jì)數(shù)指令組態(tài)元件變量

再根據(jù)變量的屬性、控制要求分析仿真擬態(tài)變化規(guī)律，構(gòu)建組態(tài)仿真控制流程圖，參照流程圖進(jìn)行腳本的編寫，最后進(jìn)行元件、界面及數(shù)據(jù)的連接與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)該模塊的組態(tài)與仿真運(yùn)行。仿真控制流程圖如圖2所示。

圖2 仿真控制流程圖

4 結(jié)論

運(yùn)用MCGS技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)最大的優(yōu)越之處就在于系統(tǒng)可通過(guò)與PLC主機(jī)設(shè)備聯(lián)機(jī)，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的虛擬數(shù)據(jù)對(duì)象與PLC主機(jī)中的輸入輸出通道一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而可實(shí)現(xiàn)PLC與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的互控，從而部分了替代傳統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中PLC外圍設(shè)備。教師上課時(shí)只需要一個(gè)串行通信接口將電腦與PLC主機(jī)連接在一起，通過(guò)運(yùn)行各種工業(yè)自控現(xiàn)場(chǎng)的仿真系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)仿真操控。由于系統(tǒng)采用的模塊化設(shè)計(jì)，因此具有良好的可擴(kuò)展性，可很方便的將更多的新開(kāi)發(fā)仿真控制模塊掛入系統(tǒng)，這就意味著教師可將更多自控現(xiàn)場(chǎng)帶入教室。

［1］ 匡宇國(guó).MCGS組態(tài)軟件技術(shù)在PLC教學(xué)中的交互應(yīng)用研究［J］.教育探索，2007，（12）：136－137

［2］ 曹輝，馬棟萍，王暄，耿瑞芳.組態(tài)軟件技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：001－003

［3］ Hugh Jack.Automating Manufacturing Systems With PLCs.Version 5.0，May 4，2007.6：8－12

［4］ 曹輝，馬棟萍，王暄，耿瑞芳.組態(tài)軟件技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：38－47

［5］ 袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006，（4）

［6］ 霍俊儀，萬(wàn)東梅.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)仿真教學(xué)探討［J］.中國(guó)科技信息，2005，（12）：86