可编程控制器课程实践环节的改革与探索

申晓宁 张卫国

摘 要：可编程控制器（PLC）是自动化专业一门实践性很强的必修课程。该文基于昆仑工控组态软件MCGS，探讨了在上位机上模拟实现PLC控制对象的方法，并由此搭建了实现PLC控制系统的课程实践平台。以垂直升降式立体车库控制系统为例，给出了平台的系统结构框架、监控画面、实时数据库中数据对象的建立方法、PLC与组态仿真软件的通讯设置方法等。

关键词：PLC 组态软件 实践平台 立体车库

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（c）-0118-04

可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的通用产品，它专为在工业环境下应用而设计[1]。“可编程控制器”课程具有很强的实践性。然而，在当前的课程实验教学中，存在以下问题：（1）实验装置上的控制对象种类较少，缺乏可扩展性，研究局限性大。例如：该学院采用的是浙江求是科教设备有限公司开发的QSPLC系列可编程控制模拟实验装置，模拟控制对象包括喷泉、数码显示、舞台灯光、交通灯、机械手、四层电梯等。当因教学或科研需求要研究其它种类的实际控制对象时，必须重新购买新的实验设备，不仅成本高，而且占用较多的空间，难于维护。（2）直观性较弱。现有PLC实验平台多以不同部位发光二极管的亮灭模拟被控对象的运行，显示不够生动直观。（3）系统缺乏监控界面，无法实现人机交互操作，不能动态显示对象的状态和存储数据。

组态软件能够快速构造和生成上位机监控系统，它可以从现场采集数据、具有实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能，因此，能够为用户提供解决实际工程问题的完整方案和开发平台。组态软件具有操作简便、二次开发周期短、通用性强的特点[2]。该文基于MCGS6.2组态软件通用版，使用计算机模拟各类实际被控对象，通过建立PLC与计算机的通讯，搭建PLC控制系统实验平台。将该实验平台应用于有关PLC的实践教学和科研工作中，能够弥补上述现有PLC实验设备的不足，大大降低实验成本，增强系统的可扩展性，如果需要新增被控对象，只需进行简单的软件操作，同时能够实现友好的实时监控界面，生动直观地显示出对象的当前状态。

1 系统结构设计

1.1 系统总体结构

基于组态软件的PLC控制系统结构框图如图1所示。由图1可见，在计算机内安装的PLC编程软件上编写梯形图，并下载入PLC。在计算机的组态软件MCGS中创建一个模拟被控对象的工程，设置通讯接口，运行PLC内的梯形图，同时进入MCGS的运行环境，操作监控界面上的按钮等图形对象，即可实现PLC控制系统的组态仿真控制。

1.2 PLC的选型

经过多方调研，学院购买了三菱FX2N-48MR系列PLC。它的控制单元输入输出点个数分别为24个。它具有速度快、高功能的逻辑选择与定位控制等特点，适用于在多个基本组件间的连接、模拟控制、定位控制等特殊用途。程序容量为内置800步RAM（可输入注释），最大可扩充至16K步。

1.3 开发软件的选择

PLC编程软件使用GX Works2。它是三菱电机推出的三菱人机界面全系列编程软件，是专用于PLC设计、调试、维护的编程工具。与传统的GX Developer软件相比，GX Works2的功能更加全面，操作性能更佳，且变得更加容易实用。

组态软件采用MCGS 6.2通用版，与其他组态软件相比，它拥有很多特别突出的特点，例如：可靠性高、可视化效果好，简单易学，综合性能比较好等，因此，在钢铁工业、电力工业、石油化工工业、水处理工业等领域已经成功地被应用，经过长期的现场实际运行，充分体现了MCGS系统的稳定性高，效果显著[3]。

MCGS的软件系统具有两个部分：组态环境和运行环境。组态环境就像一套完整的工具软件，用户可以在此环境下对自己要实现的仿真进行设计，对自己的组态工程进行构建。运行环境是根据在组态环境里设计的组态工程按用户的要求和设计目标运行，并可以直观地看到运行效果。组态环境和运行环境关系图如图2所示[3]。

2 系统设计举例

以垂直升降式立体车库PLC控制系统为例，介绍系统的实现方法和系统可实现的功能。

系统的设计步骤如下。

（1）分析控制要求及功能要求。该垂直升降式立体车库提供存车、取车两种功能。其中，存车控制流程图如图3所示，取车过程与图3存车过程相反，此处略写。

（2）根据设计中的I/O端口点数确定I/O设备；并合理分配I/O点。该系统确定输入端口有22个，输出端口有18个。

（3）在GX Works2中设计梯形图程序。

（4）进入MCGS组态环境新建工程。

（5）设计登录欢迎界面。

（6）创建垂直升降式立体车库的组态画面，如图4所示。添加所需元件并设置其相应的属性，包括动画属性、按钮动作属性等。设置元件属性要注意前后的逻辑关系，有些运动控制变量是重复的，需要加一些辅助继电器作为中间变量以区分重复过程。

（7）在实时数据库中建立数据对象，如图5所示。步骤（6）实现的只是一个静态界面，需要通过在实时数据库中建立数据对象，以显示各元件的运动状态。在设置属性时，可以定义动作类型，并设置它的参数。需要注意的是，监控画面中的每一个元件都要设置相应的连接对象，且保存在实时数据库中。

（8）设置PLC与MCGS组态界面的通讯连接。首先在设备窗口选中设备组态，双击进入，右击选中设备工具箱，点击设备管理，进入可选设备列表。分别添加通用串口父设备和三菱FX系列编程口，并设置设备属性。注意选择FX2N—CPU，设备地址为2。将组态画面的元件与实际的输入输出口通讯连接起来，图6给出了部分通道设置的示意图。

（9）进入MCGS的运行环境。

（10）进行模拟仿真，检查程序的正确性，并对系统进行整体调试。将在GX Works2中编写好的梯形图导入PLC，并将与组态MCGS的通讯连接起来。PLC的运行结果通过组态画面实时显示出来，用户可根据动画的当前状态反复调试梯形图中存在的错误和问题，直到系统实现所有的控制要求为止。

除了立体车库以外，还设计开发了基于PLC控制的自助洗车房、投币式自动洗衣机、五层电梯、电子密码锁、常压式农药灌装生产线等多种MCGS监控系统。该PLC实验方法通用性强，省时省力。对于同一被控对象，如果控制要求发生改变，只需相应地修改梯形图；对于新的被控对象，只需在组态软件上设计组态动画，并编写相应的梯形图，大大降低了控制系统调试的成本和风险，提高了系统开发的效率和安全性，且系统后期的维护代价也很低。此外，动画显示的方式生动直观，系统的硬件连线很少，与传统PLC实验平台相比，组态监控系统能够取得更好的仿真效果，实用性更强。

3 结语

PLC课程实践环节的教学改革已经1年，从对学生的调研和反馈可以看出，该实验平台操作简便，学生很容易上手，对被控对象状态的表现形式生动灵活，学习效果好，能够有效地提高学生综合运用专业理论知识和独立分析、解决问题的能力。另一方面，从教师教学角度来看，通过组态软件模拟被控对象，能够极大地丰富实践教学内容，减少系统开发和维护成本，对教师传授理论课程也起到了促进作用。此外，还可以将该实验平台的开发，作为学生毕业设计或课外科研项目的课题，做出的成果经过完善后可以直接应用于PLC的课堂实践教学中。

参考文献

[1] 廖常初.可编程序控制器应用技术[M].5版.重庆：重庆大学出版社，2007.

[2] 袁云龙.组态软件在PLC实验系统中的应用[J].实验室研究与探索，2014，33（4）：129-137.

[3] 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.