西门子模块6ES7211-0BA23-0XB0品质好货
目前，很多院校开设了可编程序控制器控制技术课程。它是一门理论性、趣味性及实践性很强的课程，需要搭建PLC实训室，开设PLC实验课程，而开设PLC实验课需要解决的关键问题是PLC的控制对象。PLC的控制对象可以是实物模型，但它存在成本高、难维护、种类少等不足之处；也可以是用指示灯模拟显示PLC控制对象的实验箱，它与实物模型相比成本较低，不过也存在难维护、种类少、结果观察不直观等缺点；应用组态软件在计算机屏幕上全真模拟PLC的控制对象可以弥补上述不足，它还能以动画形式演示PLC控制对象的工作过程，具有成本低、免维护、灵活多样、形象直观等优点。
从教学意义上说，如果能用计算机全真模拟被控对象，不但可以克服实物模型的缺点，而且可利用有限的设备及多样化的程序丰富学生的实验课内容，增强PLC实验课的教学效果。北京亚控公司推出的“组态王”软件，具有可靠性高、通信快速、功能强大、界面友好和开发简洁等优点，可用来开发实验室仿真PLC控制对象，满足为学生开设实验课的需要。
1 系统构成
利用“组态王”软件设计PLC仿真控制对象，是指在计算机上运行事先编写好的“组态王”应用程序，用软件来代替硬件（被控对象）的工作，借助计算机屏幕观察控制过程与结果。仿真PLC控制对象的实验系统结构如图1所示。上位机微机配有“组态王6.5”软件和三菱PLC编程软件FXGPWIN，下位机采用三菱FX2N-64MR型的PLC。“组态王”软件通过RS232C接口与PLC之间进行通信，并监控PLC所有存储器、控制器及I/O接口的状态，以变量值的形式传输到计算机上，供上位机使用、处理。
图1 仿真实验的系统结构图
2 系统的实现
利用“组态王”软件设计的应用软件，可以仿真多种PLC控制对象。仿真的被控对象不仅可以接受多种由PLC发出的控制信号，如逻辑开关信号、继电器控制信号、脉冲信号和各种数值信号等，还能按照程序的算法以动画、数值、文字、标尺等形式在计算机屏幕上反映出PLC的控制过程与结果，可以直接从屏幕上观察PLC的控制结果正确与否；“组态王”亦可向PLC发出各种命令信号，如逻辑开关控制信号、继电器开关信号、中断信号及位置信号等。“组态王”还能以按钮、滑动标尺、数值输入及单选框、复选框等形式向PLC发出各种命令和输出各种参数，以配合PLC的控制，反映PLC与被控对象（软件仿真的被控对象）及控制结果之间的关系。
要使画面中各图素能够生动、逼真的运动或显示，在“组态王”中需定义一些内存变量与外部I/O变量进行配合，并通过在其应用程序命令语言中书写程序控制自己的应用程序，驱动画面，用这种仿真方法开发PLC仿真控制对象，其优点是周期短、费用低、可靠性高，能节省电力资源，维护要求较低，不会危及人身和设备安全；同时，其模拟效果逼真，人机界面生动友好，能达到很好的实验效果。
在实验教学中，学生既可将计算机看作“被控对象”，用PLC对其进行控制；又可在计算机屏幕上以仿真动画形式直观看到程序的执行结果，从而极大地提高学生的兴趣，强化他们的动手能力；此外，可以增强学生的参与意识，使之对可编程控制器的理解更加深入，从而达到实验目的，终提高教学质量。
3 开发要求
利用仿真模拟技术开设PLC实验课，开发的仿真PLC被控对象满足如下要求：
1）组态仿真画面一般由2部分构成：一是仿真的PLC控制对象；二是仿真操作面板。有时根据系统控制对象不同，还会有一些报表。
2）“用户”可以用鼠标点击屏幕上的按钮，发出PLC所需要的输入信号（行程开关模拟信号、按钮模拟信号）。PLC接到该信号后，经过控制程序（实验课学生编写的PLC控制程序）发出控制指令。上位机接到控制指令后，控制画面上仿真控制对象的图形、动画、指示灯及机械、显示等动作，同时在报表中绘出一些曲线，填入一些数值。
3）接到电源信号后，模拟电源指示灯亮，显示红色，以示“组态王”与PLC通信正常。
4）仿真界面直接显示PLC仿真控制对象的物理位置和运行方向，可直观反映PLC程序的运行结果。
5）仿真PLC控制对象是以画面形式反映PLC程序执行结果的，故画面应尽可能逼真于模仿实物。
4 开发实例
以下给出我们开发的仿真PLC被控对象中的一部分，包括十字路口交通灯、机械手和水位控制系统。这些开发项目完全可以直接应用到PLC教学实验中，因篇幅所限，文中未给出PLC的梯形图程序及组态设计过程。
4.1 十字路口交通灯仿真系统
1）控制要求。a．南北向和东西向主干道均设绿灯30s，绿灯闪亮3s，黄灯2s和红灯30s。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道先点亮绿灯，之后绿灯闪亮，再后点亮黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道先点亮绿灯，之后绿灯闪亮，再后点亮黄灯。b．南北和东西向人行道均设有通行绿灯和禁止红灯。南北人行道通行绿灯应在东西向主干道点亮后才允许点亮，然后接5s绿灯闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于南北主干道绿灯点亮后才允许点亮，然后接5s绿灯闪，其他时间为红灯。c．点按“停止”按钮，工作立刻停止。
2）PLC输入输出表。交通灯控制PLC的I/O点分配表如表1所示。尽管十字路口有12只红、黄、绿灯，人行道有16只红、绿灯，但是同一方向的同色灯同时动作，应为一个输出，所以在表中只占用10个PLC输出端点。
表1 交通灯控制PLC的I/O点分配表
3）组态仿真画面。十字路口交通灯组态仿真画面如图2所示。将PLC置于运行状态，进入“组态王”运行环境.若画面中的电源指示灯以红色显示，表明两者通信正常。初始运行画面上各交通指示灯都以黑色显示，当按下画面中的“启动”按钮，画面中的红、绿、黄交通指示灯按照PLC的程序显示或闪烁；当南北与东西向主干道和人行道绿灯亮时，画面中会有汽车和行人通过。
图2 十字路口交通灯组态仿真画面
画面中汽车和行人的动作仅与“组态王”的内存变量有关，可通过在其应用程序命令语言中编制程序控制汽车与行人的速度和方向，与PLC的程序无关。
软件设计
根据工艺要求，程序有三种工作模式:自动方式、手动方式、换模方式。自动方式用于正常生产，以提高工作效率；手动方式主要用于测试模架所有动作是否可靠，以及微调整用；换模方式主要用于更换模具使用。1、2号模架程序相同。
由于一个控制柜控制2台液压模架，两台模架生产过程相同，其中一个模架的程序流程如图2所示。
图2 方向盘模架程序流程图
在程序设计中，由于方向盘生产工艺要求发泡料注入模腔后的初始10s锁模力要足够大，上、下模具间要求间隙要很小，否则制品飞边较大，浪费原料，也可能产生其它因泡沫结构不好而导致次品。由于机械上不论平衡阀、油缸多好，其密封均可能磨损而导致泄漏，可将程序中控制下模关闭的电磁阀q1.1在关闭到位后延时5s再断电，持续给油缸供高压油，补偿泄漏损失，有效地解决了问题，大大提高产品的合格率。
部分程序设计
图3为系统工作方式的梯形图，其中合摸设置为双手按钮是为了防止操作工在合模过程中发现骨架没放好等原因将手伸进摸腔造成事故。接通延时计时器ton设定时间t=50×100ms=5s，主要用以关下模的电磁阀到位后延时5s再断电，持续油缸供高压，补偿泄露损失，有效解决难题，大大提高了产品合格率。图4为液压液压单元控制阀及控制聚合指示。泡沫聚合为此模架系统后道时序，聚合时要有聚合定时，当达到聚合理想值时，既聚合完毕，控制面板上聚合合完毕指示灯亮，程序完毕。图5为系统自动运行方式的梯形图，由于顶针顶出是选用的是自动模式顶针顶出，主电路i/o配置中的sb4键模架台上按下顶针顶出键，程序中还设计了换模方式下关上模与开下模的操作。图6为模架解锁/加锁控制的梯形图，上模解锁和上模加锁就是在上模已加锁限位上加一个延，来使发泡料有一定的时间聚合，ton接通延时为1s，还有检测制品是否顶出的接近开关，用于检测油缸活塞杆位置，安装位置有油污，并且若信号有误，顶出器没有回位情况下合模，将导致顶出器将上模顶坏，造成设备事故。
结 语
该系统经过改造后，不仅提高了生产效率和抗干扰性能，降低了废品率，而且系统具有友好的中文界面，能对参数进行设置和修改，对故障能进行很好的监测及显示。
系统硬件组成
汽车方向盘生产设备主要由模具、模架、高压发泡机系统组成。模具分上模、下模两套；模架用以夹持上、下模，并完成方向盘生产所必须的所有动作；高压发泡机系统用以完成iso（异氰酸脂）和pol（聚醚多元醇）两种化工原料高压混合在方向盘骨架上形成一层自结皮泡沫。
汽车方向盘模架生产的工艺过程如图1所示：
图1 汽车方向盘模架生产工艺过程
首先准备好做方向盘的原材料方向盘骨架和聚氨酯，先开下模、开上模再在模腔里喷脱模剂，再放预先准备好的方向盘原始骨架，接着合上上下模，再把高压发泡里的发泡料浇注到合上的上下模空间里，在特定的环境里熟化一段时间达到预期效果再开上下模架，利用模架里的顶针顶出制品。由于在模架里还是有些毛边，出来的制品在经过一定的修边准形既可入库。
方向盘控制系统计成一个控制柜控制2台液压模架，共有34个输入，18个输出。输入信号有上、下模平台开合到位行程开关、上模平台安全销插入、退出行程开关、制品顶出接近开关信号、开合模按钮、自动、手动、换模工作方式选择开关等，输出信号有控制有无油压的电磁溢流阀、上、下模平台开合模电磁阀、制品顶出电磁阀、安全锁销电磁阀、定时器、声光报警器、信号灯等。根据生产工艺和机械控制要求，确定选用西门子s7-200系列plc：cpu226（24i/16o）及其扩展模块em223（16i/16o），输入输出均留有扩展余地，同时将来plc外部输出触点损坏，仅修改一下程序即可，无需拆卸plc。
此系统控制中的电磁阀是有一号模架与二号模架控制。一号模架为主模块有s7-200系列plc-cpu226（24i/16o）控制一号电磁阀, 其输入输出端子功能如表1所示。二号模架为扩展模块有s7-200系列plc-em223（16i/16o）控制二号电磁阀,其输入输出端子功能如表2所示。
表1 cpu226各输入与输出端子功能表
表2 em223各输入与输出端子功能表
安全问题是至关重要的，机械上除安装平衡阀以使上下模平台任意位置均可停住，上模打开后安全锁销插入，防止上模落下外，电气硬件设计中采取以下措施：
合模设置双手按钮，防止操作工合模过程中发现骨架没放好等原因将手伸进模腔造成事故；
自动方式开模时不设置成点动方式，即设计成按开模按钮直到下模开到位后方可松手，防止点动开模钮后，工人即离开操作台到模架附近上模打开时的易伤人事故；
检测“制品”是否“顶出”的接近开关，用于检测油缸活塞杆位置，安装位置有油污，并且若信号有误，顶出器没有回位情况下合模，将导致顶出器将上模顶坏，造成设备事故。
3 显示扩展
PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。
采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。
图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口
图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令；CLK是时钟输入端；DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0～DIG7分别接显示器的共阴极公共地。
SLC500有RS232通信口，可以通过专用电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。
4 PLC与PC通信设计
4.1 PLC数据包的信息格式
SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H；响应读命令，代码：41H；写命令，代码：08H；响应写命令，代码：48H。故PLC数据包的信息格式如图6所示：
图6 PLC数据包的信息格式
DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号；
SRC：一个字节，信息发出方的节点号；
CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H；
STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误；
TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号；
Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。
PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600 bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：
1）set the module for full duplex BSC（DF1 full duplex）
2）set the module for bbbbbded response
3）set detect for automatic
4）disable duplicate packet detect
5）set the baud rate for 9600.
4.2 PC机程序
PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：
With MSComm 1 // 通信参数设置
CommPort＝1 // 通信口COM1
Settings＝“9600，年n，8，1”// 波特率9600 bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止
bbbbbLen＝2 //一次读取2个字节
bbbbbMode＝comLnputModeBinary // 二进制数据格式
PortOpen＝Ture // 打开通信端口
End With
PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好相反，因此，VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示。
5 结束语
本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的创新点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。
