基于组态软件的PLC实验教学系统 - 图文

Fig.2 Equivalent work Circuit drawing of the PLC

PLC控制系统的等效电路可以分为3个部分，即输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件。这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻辑，用软件编程代替继电器电路的功能。其等效工作电路如图2所示。

PLC的工作方式为循环扫描方式。PLC的工作过程大致分为3个阶段:输入采样、程序执行和输出处理。PLC重复执行这3个阶段，周而复始。每重复一次的时间称为一个扫描周期。

(l)输入部分

输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈“得电”(这个输入继电器是PLC内部的“软继电器”，就是存储器中的某一位，它可以提供任意多个常开触点或常闭触点供PLC内部控制电路编程使用)为使输入继电器的线圈“得电”，即让外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中去，输入回路要有电源。输入回路所使用的电源，可以用PLC内部提供的24V直流电源(其带负载能力有限)，也可以由PLC外部的独立的交流或直流电源供电。

(2)内部控制电路

所谓内部控制电路是由用户程序形成的用“软继电器”来代替硬继电器的控制逻辑。它的作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。

(3)输出部分

输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部常开触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。PLC的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个常开、常闭触点外，还为外部输出电路提供了一个实际的常开触点与与输出接线端子相连。

2.2 组态软件的基本概念

组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件的主要母的是使使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充分了解自动化工程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点、集中解决共性问题。

(1)方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式(BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等)的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；

(2)强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能； (3)支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；

(4)强大的ActiveX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；

(5)全新的、灵活的报表设计工具:提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括:脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板，报表文件格式兼容Excel工作表文件，支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式：Excel、TXT、POF、HTML、CSV等。自动化工程设计技术人员在组态软件中只需要填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象(如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表等)形象地画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性于I/O设备的实时数据库进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的I/O设备数据发生变化会直接带动被控

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对象的属性变化。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。从以上可以看出，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠的特点。

3 组态及PLC的通信

在基于组态软件的PLC实验教学系统的设计中，采用的组态软件是力控ForeeControl6.O组态软件，选择的PLC是西门子S7-200系列，三菱FXZN系列，欧姆龙CPMZA系列。以下就以西门子S7-200，主机单元为CPU224的型号为例，由于57-200系列的PLC具有通信和组网的功能，所以它既可以同上位机进行通信，也可以同其他的PLC及智能设备进行通信。S7-200主机单元为CPU224型号的PLC具有以下特点:

(1)14输入/10输出共24个数字量FO点;

(2)可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至168个数字量FO点或35路模拟量1/0; (3)13KB的程序和数据存储区空间; (4)具有PID控制器;

(5) l个RS485通信/编程口;

(6)具有多点接口MPI(Multi Point Interface)通信协议: (7)具有点对点接口PPI(Point to Point Interface)通信协议; (8)具有自由通信口;

(9)l/O端子排可以很容易地整体拆卸。

西门子S7-200系列PLC是一种小型整体结构形式的PLC，内部集成的PPI接口为用户提供了强大的通讯功能，其PPI接口(即编程口)的物理特性为RS-485，根据不同的协议通过此接口与不同的设备进行通讯或组成网络。

S7-ZOOCPU支持多种通讯协议。根据所使用的S7-ZOOCPU，网络可以支持一个或多个协议，包括通用协议和公司专用协议。专用协议包括:点到点(Point to Point Interface)接口协议(PPI)、多点 (Multi Point Interface)接口协议(MPI)、自由通讯接口协议、Profibus协议和USS协议。

PPI和MPI协议通过令牌环网实现，令牌环网遵守欧洲标准 EN50170中的过程现场总线 (Profibus)标准。这些都是异步、基于字符的协议，带有起始位、8位数据、偶校验和一个停止位。通讯帧由特殊的起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性检验组成。只要波特率相同，二个协议可以在一个网络中同时运行，而不相互影响。

Profibus网络使用RS-485标准双绞线。它允许在一个网络段上最多连接32台设备。根据波特率不同，网络段的确切长度可以达到1200m。采用中继器连接，隔断可以在网络上连接更多的设备，延长网络的长度。根据不同的波特率，采用中继器可以吧网络延长到9600m。

协议定义了两类网络设备:主站和从站。主站可以对网络上另一个设备进行初始化申请。从站只响应来自主站的申请，它不初始化本身的申请。

协议支持一个网络上的127个地址(从0到126)，网络上最多有32个主站。为了通讯，网络上的所有设备必须具有不同的地址。运行STEP7-Micor/WIN32的西门子编程器和计算机的缺省地址是O，操作面板的默认地址是1，可编程控制器的默认地址是2，其他设备的地址可以通过S7-200的编程软件设定。

(l)PPI协议

PPI通讯协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的一个通讯协议。可以通过两芯屏蔽双绞线进行联网。波特率为9.6KB/S、19.2KB/s和187.5KB/s。S7-200的编程口即为网络通讯接口。PPI是一个主/从协议。在这个协议中，主站(其他CPU、西门子编程器或TD200)给从站发送申请，从站响应。从站不初始化信息，只是当主站发出申请或查询时，从站才响应。网络上的所有S7-ZOOCPU都作为从站。

(2)MPI协议

S7-200可以通过内置接口连接到MPI网上。内置接口可以是CPU的通讯口，也可以是EM227扩展通讯模块。应用MPI组成的网络通讯的波特率为 19.2KB/s和187.SKB/S，它可以与S7-300/400CPU进行通

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讯。S7- 200CPU在MPI网中作为从站，它们之间不能通讯。

(3)Profibus协议

S7-200CPU可以通过 EM227Profibus-DP扩展模块的方法支持DP网络协议。Profibus协议用于分布式FO设备(远程式 1/0)的高速通讯，许多厂家生产类型众多的Profibus设备，这些设备包括从简单的输入或输出模块到电机控制器和可编程控制器。

Profibus协议网络通常有一个主站和几个FO从站组成。主站初始化网络，并核对网络上的从站设备和配置是否匹配。主站连续地把输出数据写到从站并从它们读取输入数据。当DP主站成功地组态一个从站时，它就拥有该从站。如果网络中由第二个主站，它只能很有限地访问第一个主站的从站。

4 基于组态软件的PLC实验教学系统

基于组态软件的PLC实验教学系统的仿真控件结构包括以下几个模块：通信模块、数据缓冲模块、命令控制模块、声音模块、画面图形模块和动画运行模块，如图3所示。

图3 仿真控件结构

Fig.3 Simulation of the Spatial Structure

通信模块是连接PLC和组态软件的纽带，与PLC和组态软件的数据交换有着密切的联系。数据缓冲模块主要是用于存储和运行系统的程序，包括组态软件的程序和PLC的程序。命令控制模块的作用是将程序运行后发出的各种指令正确的传达给PLC和组态软件。在组态软件的设计中，当报警的时候就需要有声音的输出，声音模块的作用就在于此。画面图形模块的作用包括构建系统的界面和对动画连接的设置。动画运行模块的是对教学实验系统进行界面上的仿真，一方面以图形方式直观显示在计算机屏幕上，另一方面按照组态要求和指令将控制数据送给通信模块和数据缓冲模块，对执行机构实施控制或调整控制参数。

本课题的PLC实验教学系统由四个实验构成，分别是运料转运小车监控系统、搬运机械手监控系统、材料分拣系统以及大小球分检机械臂装置。四个实验分别在四个窗口中进行界面设置和组态软件的脚本编写，所以就应该在“特殊功能”—“动作”—“窗口”中的窗口脚本编辑器编写脚本，这样，当界面转换到一个实验的时候，运行的是相对应的组态脚本，不会产生混乱，运行的规则是窗口运行的时候，相应的

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窗口脚本程序周期性的执行。 4.1运料转运小车监控系统的设计

4.1.1 运料转运小车监控系统的控制要求

(l)按下启动按钮，小车开始装料，即装料电磁铁得电，粮仓打开，开始装料，装料时间为3秒;

(2)装料时间到，从原点出发(即小车电机正转)驶向1号站，抵达后制动，小车卸料电磁铁得电，开始向1号储料库卸料，卸料时间为3秒，放料完毕，返回原点(即小车电机反转)。再一次装料，然后再次出发一直驶向2号站，抵达后制动、卸料，返回原点。再一次装料，然后再次出发一直驶向3号站，抵达后制动、卸料，返回原点。

(3)小车运行的方式有三种:步进，循环，自动。步进方式下每按一次按钮，小车运行一个动作(如从2号站返回原点)，其运动动作顺序如上所述;自动方式下，则按上述要求从3号站返回原点后自动停止;循环方式下下车则按照上述要求一直不停地运行下去，直至按下停止按钮为止。

(4)任何时候按下停止按钮，小车均停止在下一个目标站上; (5)小车运行的速度可以由速度调节器来调整。

图4 转运小车运动轨迹示意图

Fig.4 Drawing of the Cartrans Portation Trajectory

4.1.2 输入输出地址分配 4.1.3组态软件的程序设计

(1)运料转运小车的工作模式选择:

当工作模式选择循环的时候，auto=l，此时 M1.6=1，选择的是循环工作模式，同理，选择步进的时候， steP1=1，即 M1.7=l，当选择单周期的时候，在编写组态程序上可以理解为即没有选择循环，又没有选择步进，此时Ml.5=l，选择的是单周期的工作模式。

IF auto==1THEN // 循环 mb1.Pv.07=1; ELSE

mb1.Pv.07=0: ENDIF

IF step 1==1THEN // 步进 mb1.Pv.08=l; ELSE

mb1.Pv.08=0; ENDIF

IF step 1==0&&auto==0THEN // 单周期 mb1.Pv.06=1; ELSE

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