基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā)

1、基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) and ofthePLCPractical Research Development Basedon Industry TeachingSystem Configuration Software LIULi by ZHENGXiaowei Supervisor：Professor Normal LiaoningUniversity 1；一?I，0、l?，lJit， March2010 毫矗墨、，。蓄善 ；iI嗥冉， IIIllllllllllllllllllll Y1 摘要 計算機技術發(fā)展迅猛，已廣泛地應用于工業(yè)、農業(yè)、國防等各個領域。近年 來

2、，組態(tài)軟件的出現，使得計算機對工業(yè)生產現場的監(jiān)控技術更加成熟。 本課題以改造和開發(fā)本?？删幊绦蚩刂破?PLC 實驗室的實訓教學裝置為目 的，利用工業(yè)組態(tài)軟件實現PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，完成了以下工作： 1 實現了底層現場控制層功能。包括基于RS一485的1：N網絡通信系統(tǒng)的 構建，實現了主站和從站的網絡通信。 2 實現了監(jiān)控管理層的控制功能。完成了上位機與PLC的通訊，并以組態(tài) 王軟件為技術平臺，構建系統(tǒng)的監(jiān)視與控制畫面，對PLC控制系統(tǒng)的現場單元進 行仿真，通過與PLC運行相配合，真實地模擬了現場運行過程，實現了對現場過 程數據的動態(tài)監(jiān)視和對異常信號的報警等功能。 3 實現了遠程監(jiān)控層的功能。

3、把上位機作為系統(tǒng)的Web服務器，在組態(tài)王 平臺上實現Web發(fā)布，遠程用戶能夠隨時隨地訪問工程組態(tài)畫面，查看現場數據 和運行情況，對系統(tǒng)實行遠程監(jiān)控。 4 完成了4個經典的控制系統(tǒng)的設計，包括基于西門子S7200與組態(tài)王的 自動送料小車、多種液體自動混合、交通燈和自動物料分揀的虛擬控制系統(tǒng)。 對改造后的實訓裝置進行了整機運行和綜合測試，證明本實訓裝置設備運行 正常，網絡通信暢通，監(jiān)控功能良好，能夠及時準確地反映現場設備的工作情況， 基本達到設計要求。 通過對實訓裝置的改造，較好地滿足了PLC設備與現場設備通信實訓環(huán)節(jié)的 教學要求，減小了實訓中的硬件故障率和材料耗損，降低了教學成本。實訓過程 中，

4、學生能更好的觀測PLC控制對象的動作過程，易于學生的理解和掌握，提高 了教學效果和學習效果，實現其應用價值。另外，通過對實訓裝置的改造，也提 高了教師的科研能力和水平。 本項目的研究與開發(fā)對其他工控課程的教學有很好的推廣意義。 關鍵詞：PLC；組態(tài)軟件；遠程監(jiān)控；虛擬系統(tǒng)；l：N 氣 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) Abstract in of hasbeen used Rapiddevelopmentcomputertechnology widely industry, defenseandotherfieldsInrecent software， agriculture，

5、national years，theconfiguration toindustrial site ismoremature productionmonitoringtechnology ourschool The takesthatPLC the problem reforming、而t11laboratorydeveloping as programmablelogicalcontroller PLC deviceteachingreallypurpose，realizes the work： PLC control longrangesupervisorysystem，subjectsc

6、ompletedfollowing bottomfieldcontrolfunctionBasedonRS一485 the layer including 1 Realizing networkcommunication thehostandthenetwork theI：N system，realized communicationfromthestation controlfunctionsFinishthePCandPLC monitoringmanagement 2 Realized on software the communication，andkingview technolog

7、yplatform，constructsystem unit for andcontrolofPLCcontrol scene塒t11 monitoring system，simulation，the the combinedPLC simulationofthe operation，real operationprocess，realizedynamic function site dataofabnormalandalarm monitoringprocess signals achievetheremote thefunctionofremote 3 Realizing monitori

8、nglayerTo host asa andcontrolfunctionsThe system，webserver,web monitoring layer computer toachieve userscanwork access release，remote anytime，anywhere Kingviewplatform live ofits ofremote tothe data,and configurationscreen，view operationimplementation monitoring thefourclassicalcontrol basedonthe Si

9、emens 4 Finish system design，including S7-200and automatic mixed， kingview feedingdolly,variousliquidautomatically trafficandautomaticcontrol ofvirtualmaterial system sorting the devicethemachine and Afterthereconstructionof running training thatthenormal testshowed training，network comprehensive op

10、eration,equipment functionis reflectthebasicsituationofthe communication work， good，canaccurately tomeetthe designrequirements and thereformof devicesatisfiesthePLC site Through training equipment communicationlinksof thehardware equipment practice teachingrequirements，reduce failureand materials co

11、stof training consumption，lowerteachingTrainingprocess， can tounderstand studentsbetterobservationPLCcontrol ofaction object process，easy ofthe and itsvalueIn and the effect，realize grasp students，improveteachinglearning 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) thereformof deviceandenhancetheteacherSscientific addi

12、tion，through training researchandlevel ability The researchand forthe links、，itllotherindustrial projectS developmentTraining controlthe of sense promotiongoodteaching software；Remotemonitor；Virtual Keywords：PLC；Configuration system；1：N III 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 目錄 摘要I AbstractII 目錄一 第1章引言1 11課題的

13、背景及意義1 12課題的研究現狀2 13課題的研究內容3 14本章小結3 第2章基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC遠程監(jiān)控系統(tǒng)4 21基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC遠程監(jiān)控系統(tǒng)的概念4 22可編程序控制器 PLC 4 221 PLC的組成4 222 PLC的工作原理6 223西門子S7200型PLC6 23工業(yè)組態(tài)軟件6 231工業(yè)組態(tài)軟件的概述一6 232組態(tài)王軟件簡介7 24基于組態(tài)軟件的PLC遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計10 241系統(tǒng)設計要求10 242系統(tǒng)設計思想10 243總體設計結構和功能。10 25本章小結11 第3章PLC實訓教學裝置的上位機組態(tài)的實現12 31實驗室概況12 32上位機與PLC通訊的實

14、現12 321基本結構12 322S7200 PLC的通訊方式、通信協(xié)議與參數選擇12 323組態(tài)王設備驅動程序的選擇14 33基于西門子S7200與組態(tài)王的自動送料小車虛擬控制系統(tǒng)16 331基于西門子S7200的自動送料小車實際控制系統(tǒng)16 332基于組態(tài)王的自動送料小車虛擬控制系統(tǒng)的實現18 333整體運行與綜合測試21 IV 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 34基于西門子$7-200與組態(tài)王的液體混合裝置虛擬控制系統(tǒng)23 341基于西門子S7。200的液體混合裝置實際控制系統(tǒng)23 342基于組態(tài)王的混合液位虛擬控制系統(tǒng)的實現24 343整體運行與綜合測試28 35基于

15、西門子S7200與組態(tài)王的交通燈虛擬控制系統(tǒng)28 351基于西門子S7200的交通燈控制系統(tǒng)29 352基于組態(tài)王的交通燈虛擬控制系統(tǒng)的實現30 353整體運行與綜合測試32 36基于西門子S7200與組態(tài)王的自動物料分揀虛擬控制系統(tǒng)32 361基于西門子S7200物料分揀實際控制實訓裝置33 362基于組態(tài)王的自動物料分揀虛擬控制系統(tǒng)的實現34 363整體運行與綜合測試40 37上位機組態(tài)界面的實現42 371系統(tǒng)登陸界面的設計42 372綜合測試43 38本章小結44 第4章實現PLC虛擬控制系統(tǒng)的網絡控制功能45 41網絡結構45 42基于RS一485的PLC現場控制網絡45 421網絡

16、結構45 422工作原理46 43 WEB發(fā)布47 44安全管理47 441工程安全47 442瀏覽安全47 45實現遠程監(jiān)控48 46測試結果分析49 47本章小結50 1 第5章結論與展望5 參考文獻53 致謝57 V 基于工業(yè)紐態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 第1章引言 11課題的背景及意義 Controller，以下簡稱PLC 是上 可編程序邏輯控制器 ProgrammableLogical 世紀60年代發(fā)展起來的一種以微處理器為基礎，綜合了現代計算機技術、自動控 制技術和通信技術的一種通用的工業(yè)自動控制裝置【l】。由于它擁有體積小、功能強、 程序設計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別

17、是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性， 使它的應用越來越廣泛，可以應用于制造業(yè)、娛樂業(yè)、醫(yī)療、建筑環(huán)境、農業(yè)、 漁業(yè)、交通、食品工業(yè)及相關產業(yè)等。目前，PLC已成為現代工業(yè)的三大支柱 即 PLC、機器人和CADCAM 之一【2】。 由于PLC在取代傳統(tǒng)電氣控制方面有著不可比擬的優(yōu)點，在自動化領域已經 形成了一種工業(yè)控制趨勢。因此，PLC課程已成為工科院校電氣工程類、機電一 體化類及自動化類專業(yè)的一門實踐性、綜合性很強的專業(yè)課程。 遼寧廣播電視大學是一所高職高專學校，高職的教育任務是培養(yǎng)高素質的技 能性人才，通過完成工作任務、學習專業(yè)知識、掌握實踐技能來形成職業(yè)能力。 在職業(yè)教育中，注重理論教學

18、與實踐教學相結合，通過實訓將知識內容理解并應 用，進而提高學生的職業(yè)技能。因此，實訓環(huán)節(jié)在整個教學過程中起著至關重要 的作用。實訓教學過程對實訓教學裝置的實用性、先進程度要求比較高，既應有 真實的生產性功能又應有很強的學習功能。所謂真實的生產性功能，就是實訓設 備所完成的某一控制功能是來自于實際的生產環(huán)節(jié)，具備一定的應用代表性，而 不僅僅是設計出來的教學模型；所謂學習功能是在此同時要采用先進技術，例如 高度虛擬技術、計算機技術、仿真技術、數字技術等先進技術去整合生產設備的 學習能力【3卜【6J。 用PLC單獨構成一個控制系統(tǒng)，有自身的局限性。主要表現在其監(jiān)控系統(tǒng)沒 有良好的用戶界面，無法很好的

19、顯示控制對象的實時狀態(tài)，無法打印報表、存儲 大量數據等【7】【9】。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，出現了組態(tài)軟件，使這些不足得以 彌補【9】。近年來，以組態(tài)軟件為開發(fā)平臺的計算機監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)現場上得到了廣 泛的應用91。其監(jiān)控系統(tǒng)由計算機作為上位機，PLC為下位機。上位機通過下位機 完成數據采集、報警邏輯判斷、控制輸出等任務；上位機運行的組態(tài)軟件能夠實 1 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 現采集信息的存儲、數據管理、打印報表等功能，同時還能完成系統(tǒng)異常信息的 診斷任務，如故障和報警；利用屏幕畫面及圖表，實時監(jiān)控系統(tǒng)各控制設備；利 用畫面中的各類參數，干預控制設備的運行過程等【7

20、】【10】【ll】。利用組態(tài)軟件的網絡 功能，通過IE瀏覽器可訪問本地監(jiān)控計算機，對現場設備進行監(jiān)控，客戶端可打 印現場的報表及數據。這樣就構建了一個具有現場控制層、監(jiān)控管理層、遠程監(jiān) 控層的三層結構PLC遠程監(jiān)控系糾12】【191。 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā)，就是將單獨的PLC的 教學裝置改造成基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC遠程虛擬監(jiān)控系統(tǒng)。所謂虛擬，就是沒 有現場的控制對象，各種控制的丌關量或模擬量用組態(tài)軟件在上位機的畫面上生 成，實現PLC現場控制對象的仿真控制。這樣可以實時地反映現場數據，動態(tài)地 顯示系統(tǒng)的控制過程，編寫多樣化的程序來豐富實驗內容，從而有效地提高學生

21、的學習興趣、編程技巧和動手能力，并能豐富學生的工程實踐經驗，理解和掌握 不同生產過程模型的控制過程，極大提高了PLC實訓環(huán)節(jié)的教學效果，達到全方 位的教學目的。而且能夠大大降低實訓中硬件連接的故障率，降低教學成本。 12課題的研究現狀 隨著工業(yè)企業(yè)運行規(guī)模的不斷擴大，僅依靠PLC構成的監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足當 前控制系統(tǒng)的要求。計算機監(jiān)控系統(tǒng)已經逐漸成為現代工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的寵兒。由 于組態(tài)軟件功能強大、易學易掌握、具有良好的人機界面和完善的網絡功能等特 點，可以降低成本、提高效率，而且運行安全。越來越多的工業(yè)現場采用組態(tài)軟 件實現監(jiān)控功能，基于組態(tài)軟件的PLC監(jiān)控系統(tǒng)在國內外很多工業(yè)控制領域的企 業(yè)得

22、到了廣泛的應用f201【231。 但是，基于組態(tài)軟件的PLC監(jiān)控系統(tǒng)在教學方面尚無具體和全面的應用。若 采用基于組態(tài)軟件的PLC監(jiān)控系統(tǒng)，對現有的實訓教學設備二次開發(fā)，上位監(jiān)控 計算機與PLC進行通信，通過數據采集，上位機的組態(tài)軟件將控制對象的運行現 場仿真出來，實現對PLC的實時監(jiān)控。采用這種系統(tǒng)的教學模式，不但簡單方便， 而且與目前PLC課程實訓中使用的模擬屏相比，效果真實，更能夠讓學生了解生 產現場的工藝要求。當系統(tǒng)與實際的控制對象連接時，完全能夠實現其監(jiān)控功能。 將該系統(tǒng)應用于PLC教學中，將有很好的教學效果。 2 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 13課題的研究內容

23、本課題是基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā)，即工業(yè)組態(tài) 軟件的PLC遠程虛擬監(jiān)控系統(tǒng)應用于實訓教學裝置的二次開發(fā)。主要研究內容是 進行系統(tǒng)的總體設計，實現系統(tǒng)的監(jiān)控功能，完成系統(tǒng)的安裝、調試等系列工作。 本課題主要完成以下工作： 1 完成系列PLC虛擬控制系統(tǒng)的設計 完成PLC系統(tǒng)軟件程序的編寫；并在組態(tài)王平臺上，根據控制對象的特點， 設計上位機監(jiān)控界面，制作現場運行的仿真效果，其中包括實現動畫連接和編寫 腳本語言及連機調試。 2 實現系統(tǒng)的網絡功能 構建監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構，完成基于RS485網絡的控制系統(tǒng)，實現上位機與 下位機的通訊。 3 實現系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能 在上位機上，通

24、過組態(tài)軟件完成Web發(fā)布，實現遠程PLC的監(jiān)控，并且實現 工程安全等系列工作。 14本章小結 本章主要介紹了本課題的背景、意義，國內外研究現狀。最后說明了課題主 要的研究內容：將實訓教學裝置改造成基于組態(tài)軟件的PLC遠程虛擬監(jiān)控系統(tǒng)， 實現提高PLC課程實訓教學效果的目的。 3 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 第2章基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC遠程監(jiān)控系統(tǒng) 21基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC遠程監(jiān)控系統(tǒng)的概念 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC遠程監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為核心，結合工業(yè)自動化 技術、組態(tài)技術和網絡技術的一種監(jiān)控網絡系統(tǒng)，其優(yōu)點主要表現在實時性和遠 程監(jiān)控。遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過計算機網

25、絡，獲得PLC的現場數據和信息，從而 實現與信息管理系統(tǒng)的融合，能夠更好的為管理服務，提高生產的管理水平和工 作效率【241。 22可編程序控制器 PLC 221 PLC的組成 PLC是在繼電器控制技術和計算機控制技術的基礎上發(fā)展起來的一種新型工 業(yè)自動控制設備，是一種數字運算的電子系統(tǒng)，在其可編程序的存儲器內部存儲 和執(zhí)行各種操作指令，能夠通過I0模塊采集I0的數字量或模擬量，監(jiān)測和控制 各類控制對象或生產過程。 PLC系統(tǒng)由軟件和硬件組成，其硬件結構由中央處理器、存儲器、電源、輸 入輸出單元、編程器和IO擴展口幾大部分組成【11251，如圖21所示。 圖21 PLC的組成圖 C ofPLC

26、 Figure21ompositionmaps 4 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 2211中央處理器 CPU 中央處理器包括運算器和控制器兩部分，是PLC的核心，完成以下功能： 1 接收輸入設備的狀態(tài)或數據，并存入指定輸入存儲單元或數據寄存器【2】； 2 PLC進入運行狀態(tài)后，逐條讀取用戶指令，進行編譯； 3 診斷電源、PLC內部電路故障和編程過程中存在的語法錯誤【2】； 4 輸出結果至PLC的輸出端； 5 響應各種外圍設備請求； 2212存儲器 ROMRAM PLC內部存儲器有RAM 即隨機存儲器 和ROM 即只讀存儲器 兩類。 1 RAM 可以隨時由處理器對它進行讀取、

27、寫入，主要用來存儲各種暫存的數據，中 間結果及用戶程序。 2 ROM 處理器只能從中讀取而不能寫入，主要用來存儲系統(tǒng)內部數據及程序，它們 是出廠時固化在ROM中的。 2213輸入輸出單元 IO接口單元 輸入輸出單元，即io接口單元，是PLC與工業(yè)現場被控對象之間的連接部 件。一般采用光電耦合電路把PLC和外部電路隔開，提高PLC的抗干擾能力。 2214電源 PLC電源是為PLC中央處理器、存儲器等內部電路提供電能的電源模塊或電路， 有些PLC電源部分還提供24VDC穩(wěn)壓輸出，對外部傳感器供電。 2215編程器 編程器是PLC最重要的外圍設備，可用來編寫、調試用戶程序，也可在線監(jiān) 視和控制PLC

28、的工作狀況。主要分為兩種，一種是手持編程器，一種是計算機。 計算機作為編程器是將生產廠家提供的編程軟件包安裝在計算機中使用，還可以 實現模擬調用。 2216輸入輸出擴展接口 輸入輸出擴展接口用來擴展PLC輸入、輸出點數的擴展模塊。每種PLC都有 與主機相配的擴展模塊，但不能脫離主機獨立實現控制功能。 5 基于工業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 除了上面介紹的幾個主要部分外，根據系統(tǒng)軟件控制要求，PLC還常常通過專 用通信接口連接一些其他的外圍設備，如打印機、串行通信模塊、EPROM寫入器等。 222 PLC的工作原理 PLC運行時是采用循環(huán)掃描的工作方式，在執(zhí)行程序前，PLC應完成內

29、部處 理和通信服務的工作。在內部處理階段，PLC對CPU模塊內部硬件進行檢查，并 完成對定時器的復位和其他內部處理工作。在通信服務階段，PLC主要實現與帶 微處理器智能模塊的通信工作，響應編程器的輸入命令，并實時更新其顯示內容。 在PLC處于停止運行 STOP 狀態(tài)時，只完成內部處理和通信服務工作。當PLC 處于運行 烈心 狀態(tài)時，除完成上述操作外，還要完成輸入處理、程序執(zhí)行、 輸出處理工作【24】。 2221輸入處理階段 PLC以掃描方式順序讀入所有輸入端的各種數據，存入輸入映像寄存器，而 后PLC轉入程序執(zhí)行階段。在此工作周期中，輸入映像寄存器的內容不會有任何 改變。 2222程序執(zhí)行階段

30、 PLC按先左后右、先上后下的次序，逐條執(zhí)行程序指令，在IO映像寄存器讀 入數據，進行運算，將結果存儲到輸出映像寄存器。 2223輸出處理階段 在所有指令執(zhí)行完畢后，PLC將輸出映像寄存器的數據存入輸出鎖存器，通 過一定方式的輸出，驅動外部負載。 223西門子S7200型PLC PLC，該型號的PLC具有共40點輸入、輸出，是微型PLC，屬于整體式機型，其 主要編程元件的地址編址范圍與功能說明如表21所示【261。 23工業(yè)組態(tài)軟件 231工業(yè)組態(tài)軟件的概述 隨著計算機技術和工業(yè)自動化技術的發(fā)展，人們對現代工業(yè)的要求越來越高。組 態(tài)的概念也逐漸被廣大生產過程自動化技術人員所熟知。組態(tài)軟件是指一

31、些數據 6 基于-T業(yè)組態(tài)軟件的PLC實訓教學系統(tǒng)的研究與開發(fā) 采集與過程控制的專用軟件，是自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境， 使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能、通用層 次的軟件工具【271【281。 表21西門子s7200編程元件的地址范圍與功能說明 Table21SiemensS7200 addressthe andfunction programcomponentsscope descfiption 字母 元件 地址范圍 功能 I 10O127 輸入繼電器 接收用戶設備的輸入信口| Q 輸jJj繼電器 將輸jJ：信號傳送至負載 Q00-Q17 M MO0M317 輔助繼電器 相當于中間繼電器，程序內部使用 T T0一T255 定時器 相當于時間繼電器，程序內部使用 C COC1255 計數器 計數，程序內部使用 組態(tài)軟件支持常見工控設備的通訊協(xié)議，能夠提供分布式數據管理和網絡功 能【25J【261。用戶可以根據自己的需要，應用組態(tài)軟件的功能構建出一套最適合自己 的應用系統(tǒng)，不僅操作簡單、安全可靠，而且開發(fā)周期短，易于修改、升級，通 用性較好。隨著它的快速發(fā)展，實時數據庫、實時控制、SCADA、通訊及聯(lián)網、 開放數據接口、對Io設備的廣泛支持已經成為它的主要內容，隨著技術的發(fā)展， 組態(tài)軟