题目：
2013 PLC组态一体化教学实验平台
设计与实现
单位部室：阳煤职教中心实践教学部 专 业：机电一体化与自动控制 作 者：陈志鹏 指导教师：
年10月23日
PLC组态一体化教学实验平台设计与实现
摘要： 随着阳煤集团高产高效矿井的建设，矿井机电设备向着高电压、大功率、控制系统高科技方向发展，PLC在煤矿应用上越来越广泛，它的简化接线、性能可靠、事故率低、编程容易、控制多样等特点，为越来越多的工程师所喜欢，有着广阔的发展前景。同时PLC是一门实践性非常强的课程，实验环节至关重要。针对如何在低成本条件下进行PLC一体化教学，同时保证教学效果，提出了PLC电气控制系统设计与组态监控设计相结合的PLC一体化教学课程。实践表明，监控组态技术的应用可以大大提高学生的编程技巧和动手能力，丰富学生的工程实践经验，达到一体化教学的目的。
关键词：PLC ；一体化教学 ；教学实验平台 ；组态控制技术
1 PLC简介及它在煤矿生产方面的应用
PLC称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。PLC主要特点有：
① 可靠性高，抗干扰能力强。 ② 配套齐全,功能完善,适用性强。 ③ 易学易用,深受工程技术人员欢迎。 ④ 系统的设计、建造工作量小,维护方便。 ⑤ 体积小,重量轻,能耗低，通用性强。
随着煤矿机械化程度的不断提升,PLC在实际生产中得到了广泛
PLC一体机
的应用。例如：主井箕斗提升就是利用了PLC控制系统实现了定量装载。地面主提升绞车均采用了双PLC加可控硅模块控制系统。煤矿井下采煤机、综掘机、主要扇风机、主排水泵等大型控制设备的核心元件均采用PLC,井下各种低压磁力启动器核心元件也逐步为PLC所代替。地面厂的数控机床等也已经采用了PLC控制,随着现代化管理水平的不断提高,PLC和组态软件的有效结合在煤矿生产领域中得到了越来越广泛的应用。
２ 组态控制技术简介及应用
组态控制技术属于计算机控制技术，利用组态控制技术构成的计算机测控系统的原理框图所示可以看出它们是由传感器、下位机、上位机等几部分组成。虽然从结构上看与一般计算机测控系统
组态控制技术框图
基本相似，但是采用组态技术的计算机控制系统从硬件设计到软件开发都具有组态性，系统的可靠性和开发速度都得到了大幅度提高。通常认为，组态技术是计算机控制技术综合发展的结果，是技术成熟化的标志。在组态概念出现之前，要用计算机实现某一控制任务，都是通过编写程序（如使用 C等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长、而且可靠性差。组态控制技术的出现，解决了这个问题，对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。
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目前，国内外许多自动化设备生产厂家，如德国西门子公司、日本三菱、台湾研华、中国时利和等，生产了众多供选择的工业标准机 箱、工业级元件、总线结构过程通道板卡、工控机接口模块等，为推广硬件组态奠定了基础。在软件设计上由于采用成熟的组态软件进 行系统设计，软件开发周期大大缩短了。组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式 （而不是编程方式） 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其予设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。需要指出，组态软件不仅是组态控制技术中的重要组成部分，而且由于具有远程监控、数据采集、数据分析、过程控制等强大功能，在自动化系统中占据主力军的位置，逐渐成为工业自动化系统中的灵魂。
3 实例介绍PLC一体化教学实验平台的设计与实现 下面用西门子公司的Step7 Pro(内部包含有模拟器PLCSIM)和WINCC组态软件来仿真PLC基础实验--机械手实验。
3.1软件准备与硬件连接
首先需要一台装好了Step7 Pro和 WINCC的计算机，然后准备一台型号为S7-200（300,400）的西门子PLC。S7-200的编程口通过一条通信电缆(PC/PPI)与计算机的USB通信口连接,这样就可以在计算机上进行编程和监控了。
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编程下载
仿真模拟
3.2 控制要求及I/O分配
机械手最开始处于左上端(左限位行程开关处于动作状态)。运行过程为:下将YV2--夹紧YV5--上升YV1--右移YV4--下将YV2--放松YV5上升YV1向左返回初始位置。自动控制:按下自动控制的起动按钮,机械手运行上述控制过程。按下停止时,机械手必须运行完当前周期停在初始位置。
I/O分配
梯形图
打开Step7 Pro根据控制要求进行程序的梯形图的编制，程序通过编译后下载到PLC中。下载完成后，关闭Step7 Pro，打开WINCC进行组态设计。
3.3 WINCC组态设计
利用WINCC组态软件建立监控系统,在工作台实时数据库中建立 对应的变量,都为开关型。然后设置好组态软件与PLC的串口通信方式。至此,已经将组态软件中的变量与外部PLC设备的端子进行连接,当PLC的输入、输出继电器状态发生变化时,将直接反映到组态软件的变量。最后建立监控画面模拟机械手实际工作情况。WINCC组态软件内部提供基本绘图工具,同时提供了丰富的元件库,用于画较复杂但常用的元件图形,如电机、阀门等。利用这些元件进行组态,
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可建立监控画面。对于各个元件对应设置相应的动画连接。监控画面中指示灯分别用颜色的变化指示机械手的工作状态,即当放下物体时,下移指示灯为绿色,否则显示红色,其它灯工作情况相似。接下来将元件的动作与变量的变化进行动画连接,即可利用监控画面控制机械手的动作情况。当没有实际装置时,通过监控画面可以让学生有实际操作的感受,从而增加工程实践的经验。
组态软件最突出的特点就是实时多任务。其用户是自动化工程设计人员，目的就是让用户迅速开发出适合自己需要的可靠的应用系统。典型应用实例如图。
I/O分配流程图
梯形图
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4 传统PLC实训课与组态一体化教学
传统PLC实训课的被控对象多为工业设备，一般都有体积大、质量大、价格高等特点，很难在实验室配备。为了尽可能模拟被控对象，使缺乏实际知识的学生增加感性认识，许多学校在PLC实验室安装了模拟盘，如十字路口交通灯模拟盘、洗衣机模拟盘等，实验相应内容时，将PLC输入端／输出端连接到模拟盘对应的发光二极管上。这种模拟盘方法，一则限制了实验内容，二则不形象，不直观，三则连线很多，耽误时间。实践证明，教学效果并不理想。但是，即使这种模拟盘，在阳煤职教中心实践部微机控制实验室中也只有两套。从一体化教学角度上讲，这种配置远远不能满足为学生开设实验课的需要。另外，随着申办示范校工作的深入展开，PLC实验室也有扩充和更新的必要。如果仍然采用模拟盘方式，不仅占地大、花钱多，而且随着PLC实验内容的不断更新，模拟盘方式也会很快落后，最后被淘汰。
既然的PLC被控对象多为工业设备和机械，那么就给PLC实训课带来一个问题：采用真实被控对象既不现实，也不安全；没有被控对象模型，既不便学生理解实验内容，也很难激发学生的学习兴趣。将可编程控制器技术与组态软件有机结合，能为PLC的实训课教学提供一条新的途径。利用组态软件全真模拟PLC的被控对象，学生不需要实物而仅通过微机的显示器就可检验所编程序的正确与否和执行结果，这给师生双方都提供了很大方便。
5 结束语
从教学意义上来说，用计算机组态全真模拟被控对象，不但可以
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克服采用真实被控对象的缺点，而且可以用有限的设备、低廉的成本、多样化的程序，来丰富学生的实验课内容，大大增强PLC实验课的教学效果，形成理论、仿真、实践三位一体的教学模式，达到一体化教学的目的。
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