PLC实验监控系统的开发与设计

目前新型工业自动控制系统被划分为控制级、监控级和管理级三层结构。监控级的硬件以工业控制机(IPC)为主，其软件采用工业组态软件，实现完成现场数据采集、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；PLC作为现代工业控制的三大支柱之一，以其可靠性高，通用性强，使用方便和较强的抗干扰能力等优点广泛应用于工业生产的各个领域。
1、现状与存在的问题
PLC的广泛应用要求培养出更多熟悉其应用的技术人才，为此各个工科院校均开设了PLC相关课程，以加强学生对该技术的熟悉与掌握，实验环节又是PLC课程教学的重要环节，属于工程技术类实验，设备要求高。各学校的PLC实验课程都是在PLC单机下来运行控制某一个模拟对象，是简的控制方式；另外即使配备有以科教仪器为模拟对象的PLC实验也只是比较单一，并且实验结果也比较呆板。更重要的是不能反映当前新型工业自动控制系统的现状，不能满足目前计算机监控系统的要求。
2、PLC计算机监控制系统的设计
根据以上分析及目前各高校实验室的实际现状，笔者开发研究了以PC机作为上位监控机，实验装置作为被控对象，PLC作为控制级的计算机监控系统。选用PLC(选用三菱FX—ON—MR60一PLC)作为实验科教仪器对象的控制器(下位机)，实施对模拟对象的检测及控制，完成工业控制层的控制。为使系统有较理想的控制效果及监控性能，选用计算机作为上位监控机，通过计算机和PLC的通信，借助工控组态软件开发出实时监控软件，实现实时监督与控制，方便操作、维护与集中管理的多级控制系统。既能丰富实验课的教学内容，增强实验课的教学效果，同时使学生能直观地通过监视界面，看到对象的动作和PLC的工作情况，也扩展了知识面，增加了学生的学习兴趣，活跃了实验课堂的气氛，使原本很枯燥的学习变得生动起来。图1为计算机监控系统原理图。

图1 计算机监控系统原理图
2．1 系统的组成
开发设计的实验系统是以三菱FXON-6OMR PLC为控制器，可编程控制器实验装置为研究对象完成平时的PLC实验与开发，及选择装有MCGS组态软件和FXGP—WIN—C的FXON—PLC的编程软件的计算机一台。
选择组态软件设计友好的人机监控界面，控制PLC实现对科教仪器设备所提供的模拟被控对象的控制，包括模拟电机正反转、十字路口交通灯控制、八段数码管显示、水塔水位
控制、电梯控制、彩灯控制等模拟对象。
被控对象是以科教仪器设备提供的模拟对象，它的数量有限不能*反映常用的PLC应用实例。以PC机作为“仿真模拟对象”，通过组态软件的开发，对一些工业过程进行组态来仿真真实对象，以扩展PLC实验的内容。例如自动售货机，工业机械手的控制等。图2给出了结合科教仪器设备提供的模拟对象和以Pc机为“控制对象”所开发出的PLC监控实验系统的界面图。其中MCGS主要是实时监示各PLC的实际运行情况，并在CRT屏幕上进行动画显示，使实验过程比较逼真。图2给出了14个实验过程，监控实验系统包括了从PLC的基础练习，到实际工程应用；一部分是直接控制科教仪器设备上的模拟对象，另一部分是在计算机上进行的“仿真模拟对象”。
2．2 PC机和PLC的通信
PLC的通信控制和串行通信接口集中于PLC的通信模块上。通信模块中包括通信功能所需要的硬件资源和实现通信的系统程序。PLC通信模块的作用是在PLC和PC或PLC之间建立数据通信通道。通信模块的用途有：编程、检查程序、控制工程方式、监控运行状态及改变I／O状态等。PLC网络通信方式有多种，由于串行通信不需要专门的通信模块就可以实现一种简单的通信连接，设计中采用串行通信，使一台PLC和一台主机相连，主机除负责监控PLC的运行状态外，还可以直接发布命令控制PLC的工作，PLC负责现场控制级的自动控制。
在系统中，首先把PLC和计算机相连，按照RS一232的通讯协议设定好。在其软件的编程环境下编写下位机的控制程序，再将其写入PLC中。然后把MCGS中的软按钮和PLC设定的开关一一对应，从而实现计算机对PLC控制，并使其按编写的PLC程序控制模拟对象。
2．3 控制层设计
结合FXON一60MR PLC和PLC—I型可编程控制器实验装置，对每个实验对象按照要求进行设计，合理分配PLC的各I／O端口，并和模拟对象正确接线，使其外部接线按照各输入／输出点及科教仪器的对应接线孔和PLC的硬件接线要求进行连线。并且在FXGP—WIN— C的FXON—PLC的编程软件下进行编程，画出其梯形流程图，并经计算机对PLC在线编程。采用计算机完成的“仿真模拟对象”只按工作时序逻辑要求进行在线编程，不用连接线路。
3、设计实例
下面以PLC控制交通信号灯为例，说明以计算机为上位机，借助组态软件开发应用软件，负责PC机和PLC间的通信，实现监督管理的计算机控制系统，达到监控PLC设备与工业过程自动控制的目的。
3．1 系统功能
PLC实现十字路口交通灯的控制系统，其功能通过设计好的人机控制界面，实现PLC各个输入输出的状态，并在交通管制时通过在计算机控制界面上的按钮实现特殊情况下，道路交通灯的控制要求。系统的构成由应用软件和PLC硬件组成，其中MCGS开发的应用软件主要是实时监控十字路口交通灯的运行情况；在交通灯发生故障时报警显示；可通过在界面上
直接控制交通灯的正常及特殊情况下的运行。PLC主要实现对交通灯的直接控制。通过I／O端口的合理分配，以及硬件电路的正确接线，对十字路口交通灯进行控制，并通过软件编程使交通灯按照预先设定的时间运行。
3．2 系统调试及运行
在PXGP_WIN—C软件的编程环境下，通过指令表的编程模式编写程序，并设置好PLC与计算机的通讯协议，选择COM1，波特率设定为9600bps。检查程序无误后，把程序写入PLC，把PLC拨在“，RUN”状态，观察PLC的输入输出状态是否满足设计要求。此过程可借助实验室中的PLC控制实验台。连接好硬件电路，观察十字路口交通灯显示是否按设计要
求进行运行。
运行组态软件及应用程序，打开设备窗口选择PLC类型及通信方式设置，使用户窗口中的属性设置正确，运行通信窗口检验PLC和PC机的通信是否成功。再切换到主控窗口，进行系统的联调，分别在手动下发布相关信息，观察PLC及交通灯的运行情况，直到实现按命令控制相应交通灯的变化。
依照电气原理线路图和科教仪器进行连线，使系统顺序通电，按照设计规定的控制流程，使系统依次投入运行。在上位机的控制画面中监控PLC的工作，可以实时地对PLC进行控制。调试MCGS与PLC之间的通讯及控制，完成系统设计工作，以达到满意的控制效果。
通过设计PLC的硬件电路和编写程序软件，以及设计MCGS主控界面。在主控界面点击启动，PLC开始工作，通过运行写入PLC的程序，观察PLC的输出端口，并在PLC实验台上观察模拟的交通灯的显示。可看出东西红灯亮30秒，南北绿灯亮25秒，闪2秒，黄灯亮3秒。交替循环，并与MCGS监控主画面的动画链接显示一致，符合设计要求。