目前新型工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)被劃分為控制級(jí)、監(jiān)控級(jí)和管理級(jí)三層結(jié)構(gòu)。監(jiān)控級(jí)的硬件以工業(yè)控制機(jī)(IPC)為主，其軟件采用工業(yè)組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能；PLC作為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一，以其可靠性高，通用性強(qiáng)，使用方便和較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。
1、現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題
PLC的廣泛應(yīng)用要求培養(yǎng)出更多熟悉其應(yīng)用的技術(shù)人才，為此各個(gè)工科院校均開(kāi)設(shè)了PLC相關(guān)課程，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)該技術(shù)的熟悉與掌握，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)又是PLC課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，屬于工程技術(shù)類實(shí)驗(yàn)，設(shè)備要求高。各學(xué)校的PLC實(shí)驗(yàn)課程都是在PLC單機(jī)下來(lái)運(yùn)行控制某一個(gè)模擬對(duì)象，是簡(jiǎn)的控制方式；另外即使配備有以科教儀器為模擬對(duì)象的PLC實(shí)驗(yàn)也只是比較單一，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較呆板。更重要的是不能反映當(dāng)前新型工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，不能滿足目前計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。
2、PLC計(jì)算機(jī)監(jiān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
根據(jù)以上分析及目前各高校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際現(xiàn)狀，筆者開(kāi)發(fā)研究了以PC機(jī)作為上位監(jiān)控機(jī)，實(shí)驗(yàn)裝置作為被控對(duì)象，PLC作為控制級(jí)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。選用PLC(選用三菱FX—ON—MR60一PLC)作為實(shí)驗(yàn)科教儀器對(duì)象的控制器(下位機(jī))，實(shí)施對(duì)模擬對(duì)象的檢測(cè)及控制，完成工業(yè)控制層的控制。為使系統(tǒng)有較理想的控制效果及監(jiān)控性能，選用計(jì)算機(jī)作為上位監(jiān)控機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)和PLC的通信，借助工控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)督與控制，方便操作、維護(hù)與集中管理的多級(jí)控制系統(tǒng)。既能豐富實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果，同時(shí)使學(xué)生能直觀地通過(guò)監(jiān)視界面，看到對(duì)象的動(dòng)作和PLC的工作情況，也擴(kuò)展了知識(shí)面，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍了實(shí)驗(yàn)課堂的氣氛，使原本很枯燥的學(xué)習(xí)變得生動(dòng)起來(lái)。圖1為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖
2．1 系統(tǒng)的組成
開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以三菱FXON-6OMR PLC為控制器，可編程控制器實(shí)驗(yàn)裝置為研究對(duì)象完成平時(shí)的PLC實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)，及選擇裝有MCGS組態(tài)軟件和FXGP—WIN—C的FXON—PLC的編程軟件的計(jì)算機(jī)一臺(tái)。
選擇組態(tài)軟件設(shè)計(jì)友好的人機(jī)監(jiān)控界面，控制PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)科教儀器設(shè)備所提供的模擬被控對(duì)象的控制，包括模擬電機(jī)正反轉(zhuǎn)、十字路口交通燈控制、八段數(shù)碼管顯示、水塔水位
控制、電梯控制、彩燈控制等模擬對(duì)象。
被控對(duì)象是以科教儀器設(shè)備提供的模擬對(duì)象，它的數(shù)量有限不能*反映常用的PLC應(yīng)用實(shí)例。以PC機(jī)作為“仿真模擬對(duì)象”，通過(guò)組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)，對(duì)一些工業(yè)過(guò)程進(jìn)行組態(tài)來(lái)仿真真實(shí)對(duì)象，以擴(kuò)展PLC實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。例如自動(dòng)售貨機(jī)，工業(yè)機(jī)械手的控制等。圖2給出了結(jié)合科教儀器設(shè)備提供的模擬對(duì)象和以Pc機(jī)為“控制對(duì)象”所開(kāi)發(fā)出的PLC監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的界面圖。其中MCGS主要是實(shí)時(shí)監(jiān)示各PLC的實(shí)際運(yùn)行情況，并在CRT屏幕上進(jìn)行動(dòng)畫(huà)顯示，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較逼真。圖2給出了14個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括了從PLC的基礎(chǔ)練習(xí)，到實(shí)際工程應(yīng)用；一部分是直接控制科教儀器設(shè)備上的模擬對(duì)象，另一部分是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的“仿真模擬對(duì)象”。
2．2 PC機(jī)和PLC的通信
PLC的通信控制和串行通信接口集中于PLC的通信模塊上。通信模塊中包括通信功能所需要的硬件資源和實(shí)現(xiàn)通信的系統(tǒng)程序。PLC通信模塊的作用是在PLC和PC或PLC之間建立數(shù)據(jù)通信通道。通信模塊的用途有：編程、檢查程序、控制工程方式、監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)及改變I／O狀態(tài)等。PLC網(wǎng)絡(luò)通信方式有多種，由于串行通信不需要專門(mén)的通信模塊就可以實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單的通信連接，設(shè)計(jì)中采用串行通信，使一臺(tái)PLC和一臺(tái)主機(jī)相連，主機(jī)除負(fù)責(zé)監(jiān)控PLC的運(yùn)行狀態(tài)外，還可以直接發(fā)布命令控制PLC的工作，PLC負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的自動(dòng)控制。
在系統(tǒng)中，首先把PLC和計(jì)算機(jī)相連，按照RS一232的通訊協(xié)議設(shè)定好。在其軟件的編程環(huán)境下編寫(xiě)下位機(jī)的控制程序，再將其寫(xiě)入PLC中。然后把MCGS中的軟按鈕和PLC設(shè)定的開(kāi)關(guān)一一對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)PLC控制，并使其按編寫(xiě)的PLC程序控制模擬對(duì)象。
2．3 控制層設(shè)計(jì)
結(jié)合FXON一60MR PLC和PLC—I型可編程控制器實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象按照要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理分配PLC的各I／O端口，并和模擬對(duì)象正確接線，使其外部接線按照各輸入／輸出點(diǎn)及科教儀器的對(duì)應(yīng)接線孔和PLC的硬件接線要求進(jìn)行連線。并且在FXGP—WIN— C的FXON—PLC的編程軟件下進(jìn)行編程，畫(huà)出其梯形流程圖，并經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)PLC在線編程。采用計(jì)算機(jī)完成的“仿真模擬對(duì)象”只按工作時(shí)序邏輯要求進(jìn)行在線編程，不用連接線路。
3、設(shè)計(jì)實(shí)例
下面以PLC控制交通信號(hào)燈為例，說(shuō)明以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，借助組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，負(fù)責(zé)PC機(jī)和PLC間的通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)督管理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)控PLC設(shè)備與工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制的目的。
3．1 系統(tǒng)功能
PLC實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈的控制系統(tǒng)，其功能通過(guò)設(shè)計(jì)好的人機(jī)控制界面，實(shí)現(xiàn)PLC各個(gè)輸入輸出的狀態(tài)，并在交通管制時(shí)通過(guò)在計(jì)算機(jī)控制界面上的按鈕實(shí)現(xiàn)特殊情況下，道路交通燈的控制要求。系統(tǒng)的構(gòu)成由應(yīng)用軟件和PLC硬件組成，其中MCGS開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件主要是實(shí)時(shí)監(jiān)控十字路口交通燈的運(yùn)行情況；在交通燈發(fā)生故障時(shí)報(bào)警顯示；可通過(guò)在界面上
直接控制交通燈的正常及特殊情況下的運(yùn)行。PLC主要實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈的直接控制。通過(guò)I／O端口的合理分配，以及硬件電路的正確接線，對(duì)十字路口交通燈進(jìn)行控制，并通過(guò)軟件編程使交通燈按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間運(yùn)行。
3．2 系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行
在PXGP_WIN—C軟件的編程環(huán)境下，通過(guò)指令表的編程模式編寫(xiě)程序，并設(shè)置好PLC與計(jì)算機(jī)的通訊協(xié)議，選擇COM1，波特率設(shè)定為9600bps。檢查程序無(wú)誤后，把程序?qū)懭隤LC，把PLC撥在“，RUN”狀態(tài)，觀察PLC的輸入輸出狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。此過(guò)程可借助實(shí)驗(yàn)室中的PLC控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)。連接好硬件電路，觀察十字路口交通燈顯示是否按設(shè)計(jì)要
求進(jìn)行運(yùn)行。
運(yùn)行組態(tài)軟件及應(yīng)用程序，打開(kāi)設(shè)備窗口選擇PLC類型及通信方式設(shè)置，使用戶窗口中的屬性設(shè)置正確，運(yùn)行通信窗口檢驗(yàn)PLC和PC機(jī)的通信是否成功。再切換到主控窗口，進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，分別在手動(dòng)下發(fā)布相關(guān)信息，觀察PLC及交通燈的運(yùn)行情況，直到實(shí)現(xiàn)按命令控制相應(yīng)交通燈的變化。
依照電氣原理線路圖和科教儀器進(jìn)行連線，使系統(tǒng)順序通電，按照設(shè)計(jì)規(guī)定的控制流程，使系統(tǒng)依次投入運(yùn)行。在上位機(jī)的控制畫(huà)面中監(jiān)控PLC的工作，可以實(shí)時(shí)地對(duì)PLC進(jìn)行控制。調(diào)試MCGS與PLC之間的通訊及控制，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，以達(dá)到滿意的控制效果。
通過(guò)設(shè)計(jì)PLC的硬件電路和編寫(xiě)程序軟件，以及設(shè)計(jì)MCGS主控界面。在主控界面點(diǎn)擊啟動(dòng)，PLC開(kāi)始工作，通過(guò)運(yùn)行寫(xiě)入PLC的程序，觀察PLC的輸出端口，并在PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)上觀察模擬的交通燈的顯示。可看出東西紅燈亮30秒，南北綠燈亮25秒，閃2秒，黃燈亮3秒。交替循環(huán)，并與MCGS監(jiān)控主畫(huà)面的動(dòng)畫(huà)鏈接顯示一致，符合設(shè)計(jì)要求。