基于组态王的四层电梯仿真实训平台设计

2021-03-24罗超

现代计算机 2021年2期

关键词：楼层变量对象

罗超

（云南省电子信息高级技工学校，昆明650225）

传统的PLC实训系统存在直观性差、建设空间和面积占用大等缺点。在此，基于组态王设计四层电梯仿真实训平台，详细阐述平台的设计和构建过程，这为同类院校构建类似仿真实训平台提供借鉴和参考，在教学试用中，效果良好。

组态软件；组态王；四层电梯；PLC；仿真平台；实验平台

0 引言

《可编程序控制器》是实践性和应用性都很强的一门课程，是电气信息类等专业的必修课，实验实训教学是该课程的一个重要环节[1-2]。在PLC的实训教学中，传统的PLC实训系统采用模拟屏结合指示灯的方法进行演示[3]，学生无法直观看到系统真实被控对象的动作状态及工艺流程，直观性差，同时也降低了实验效果和学生对PLC实验的兴趣[3]。要想逼真地演示系统中被控对象的动作状态及工艺流程（如液位变化、接触器动作、指示灯点亮、传感器状态、电动机运转、控制系统工艺流程等），必须提供真实的被控对象（如储水罐、电磁阀、接触器、指示灯、电动机、传感器等）。然而，真实的系统被控对象存在占地面积大、空间需求高、质量大、价格高、出现问题不易维修等缺点[3-4]，不利于学校实训教学的开展。在此，以四层电梯仿真实训平台构建为例，设计了基于组态王的PLC四层电梯仿真实训平台，详细阐述了平台的构建过程和构建方法，这为实训室建设空间受限、面积有限的职业院校开发、构建类似仿真实训平台提供了借鉴和参考。同时，由于仿真平台可以以动画方式直观展示系统运行状态和工艺流程，这提升了实训教学的趣味性和直观性，有利于增强学生学习的兴趣和主观能动性，达到锤炼学生设计复杂PLC程序的能力。

1 仿真实训系统组成

四层电梯仿真实训系统由安装于上位机计算机的基于组态王6.55开发的仿真实训平台和下位机PLC软硬件组成，如图1所示。①仿真实训平台由模拟生产实际中的各种输入设备、被控对象及执行元件等图形对象、变量及程序构成，用于直观展示控制系统运行时各种器件的动作状态和运行工艺；②下位机PLC的软硬件用于执行学生编写的PLC程序。

图1 仿真实训平台构成

2 仿真实训平台的构建

2.1 仿真实训平台组成

图2是已开发完成的四层电梯仿真实训平台，主要由一个个不同种类和作用的图素对象堆砌而成，包括指令元件（外召按钮、轿厢内选按钮、平层传感器、上下终端保护开关等）、执行元件（曳引电动机、门机电动机、外召显示及方向、轿厢显示及方向等）和生产环境（机房、轿厢、井道、底坑、曳引轮、导向轮、曳引钢丝绳、层门、缓冲器、限速器等）等。从图2中可看出，要构建四层电梯仿真实训平台，必须逐一设计、制作一个个的单个图形对象，最后将这些图形对象组态为仿真平台的图形画面。这些图形对象有的从组态王图库中直接调用，有的需要人为使用组态王工具箱制作，有的甚至需要编写与图形对象相关的组态王C语言程序，才能保证图形对象的正常运行。

图2 四层电梯仿真实训平台

2.2 制作图形对象

图2中，因四层电梯仿真实训平台的组成图形对象较多，难以一一列举。在此，仅以楼层显示器图素对象为例，详细阐述复杂图素对象的设计和构建过程。

楼层显示器主要用于在轿厢和层站处显示电梯轿厢当前所处楼层的位置，如图3（a）所示。在仿真实训平台中，要构建楼层显示器，须经历以下步骤。①制作单个“8”字形图形对象。每个“8”是由7条“-”直线图形对象构成，每条“-”直线对象均是独立的图形对象且有自己的动画连接属性。在此，使用组态王开发环境的工具箱“直线”工具，依次绘制8条直线，并排列为8字形。②定义变量。在组态王的数据词典中定义7个离散型变量a，b，c，d，e，f，g（因每个“8”由7条“-”直线对象构成，因此需要定义7个离散变量），每个离散变量对应一条“-”直线图形对象。③建立动画连接。在每条直线对象的“线属性”动画连接中，建立7个离散变量与7条直线图形对象（每个”8”由7条直线构成）之间的动画连接。系统运行时，通过每个离散变量值（0或1）的变化，控制每条直线对象显示不同的颜色，通过7个离散变量值的变化的组合，实现字符0～9的显示，这类似于七段数码管的显示。④制作图素精灵。利用组态王中的“创建图素精灵”命令，将上述步骤中已建立动画连接的单个”8”字形图形对象转换为图素精灵，并保存于组态王的图库中。在此，创建图素精灵的目的在于可以重复使用该图形对象。⑤构建楼层显示器。如图3（a）所示，楼层显示器由两个单个“8”字形的图形对象和一个矩形图形对象（黄色底色）构成。因此，从组态王的图库中调取两个”8”字形图库精灵并绘制一个填充色为黄色的矩形图形对象，经排列、对齐，构成完整的楼层显示器。⑥创建自定义译码函数。该函数主要实现待显示字符0～9到七段数码管之间字型码的译码功能。⑦调试验证。此处主要用于验证程序运行时，楼层显示器是否正确显示，自定义译码函数是否正确。运行中的楼层显示器如图3（b）所示。至此，整个楼层显示器图素对象构建完毕。实际开发中，也可将楼层显示器创建为图素精灵，以方便重复使用。另外，图形对象的制作也可参见文献[5-6]。

图3 楼层显示器动作前后图素对象效果对比

2.3 构建仿真平台画面

根据上述楼层显示器的制作方法，绘制、制作图2中四层电梯仿真实训平台所需的图素对象和图素精灵，定义相应的变量，建立动画连接，构建完成四层电梯仿真实训平台。为使仿真实训平台产生满足工艺要求的动画效果，还应根据工艺流程需要，建立一些辅助的内存变量，用于控制电梯轿厢升降、曳引轮旋转等动画效果，在此不作详述。

2.4 编写命令语言程序

在完成四层电梯仿真实训平台画面构建后，应根据四层电梯运行控制要求，编写满足工艺要求的辅助命令语言程序，以保证满足工艺要求的动画效果和仿真平台的正常运行。由于组态王的应用程序命令语言和画面命令语言采用的是类似MCS-51单片机的循环轮询程序执行方式，为保证程序逻辑和编程者思维的清晰，根据经验，应尽量采用有限状态机的方法编制组态王的命令语言程序。在单片机中，状态机一般采用C语言的switch语句实现，但是，由于组态王不支持switch语句，状态机程序可以采用if…else语句实现。

此外，在构建组态王的仿真实训平台时，为方便调试程序（与下位机PLC程序无关），可先把所变量定义为内存变量，待上位机组态王仿真实训平台开发、调试成功后，再将必要的变量修改为I/O变量，与下位机PLC进行联调。

2.5 调试仿真平台

在完成上述工作后，在组态王中运行仿真平台，调试、验证仿真平台的正确性。至此，仿真实训平台开发完毕。

3 仿真实训系统的使用

为保证仿真实训系统的正常使用，开展实验时，应完成以下步骤。①给出I/O变量表。实验时，应给出四层电梯仿真实训平台与下位机PLC链接软元件的I/O变量表，以供学生编写PLC程序时使用。②设置通信参数。应在学生实验前，设置好上位计算机和下位PLC的通信参数，保证计算机和PLC通信正常。③编写PLC程序。根据步骤1中给出的I/O变量，学生自行编写四层电梯的PLC程序，之后将编写完的PLC程序下载到的PLC中。④运行仿真实训系统。同时运行四层电梯仿真实训平台和下位机PLC中的程序。据四层电梯控制要求，在仿真实训平台中操作外召按钮、轿厢内选按钮等指令元件，观察PLC程序执行时，仿真实训平台中的各种元器件是否按工艺要求产生相应动作和动画。若各种对象按工艺要求产生动作动画，说明PLC中的梯形图程序编写正确，反之，说明PLC中程序存在错语。应分析、判断PLC程序的出错原因，反复调试PLC程序，直到PLC程序满足工艺要求。与PLC处于联调状态、运行中的四层电梯仿真实训平台如图4（a）、（b）所示。注意：实训教学时，仿真实训平台已由教师开发完成且保证上下位机通信正常，学生只需按给定的变量表，编写PLC程序，通过观察仿真实训平台中各种对象的动作和状态，调试PLC程序即可。