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基于PLC的自动售货机控制 详细内容
来源:一凡设计网 作者:本站编辑 时间:2012-9-2   

基于PLC的自动售货机控制


基于PLC的自动售货机控制

摘  要

   本论文简要分析了自动售货机的发展现状以及现在的主要控制方式,在此基础上设计了一个基于PLC的自动售货机控制系统。

本论文利用日本欧姆龙公司开发的CPM1A实现对自动售货机的自动控制,设计了1元和5元两种投币方式,自动售货机内有3元和5元两种商品。当投入币值大于或等于商品价格时,则可以购买该商品。该设计实现了货币的自动加减和比较功能,设计了顺序执行程序和循环执行。

本论文的重点放在PLC的编程指令在控制自动售货机复杂运作中的实际运用、组态界面的制作。本设计基本上实现了自动售货机的全部功能,并且系统运行稳定,满足系统中所要求各个指标,可以应用在现实工业的生产中。

关键词:自动售货机;可编程控制器;梯形图


绪  论

1、课题来源及意义

在中国人们可以看到现代化的自动售货机摆放在一些大商场门口、繁华街道两边、公园入口处以及其他热闹的场所。行人们围在自动售货机前,插上十元或五元的纸币或硬币,伴随着“咋噤”一声,一罐饮料自动滚下。据了解,这些自动售货机在北京、上海、大连、沈阳、西安也开始出现,成为不少年轻人时髦的购物选择。全国目前达三万多台。自1993年生产出能够接受人民币自动售货机开始,由日、韩进入中国广东和上海,目前,这类能接收人民币硬币的自动售货机主要分布在沿海较发达地区。自动售货机的        

新奇、文明、高档、昼夜服务、占地小、灵活方便深受这些地区市民青睐,甚至出现机前排队购买现象。在天津,现在一台自动售货机每天销售额平均为二百元,每年销售额为七万三千元。专家测算,中国自动售货机市场容量最保守算可达四十七万台,一年销售额可达三百五十亿元。若按人均台数计算全年销售可达五百亿,自动售货机在日本达到平均每二十三人一台,在美国达到每四十人一台,在欧洲每六十人一台,由于中国经济与上述国家相比还有距离,按每五百人一台计算。1996年中国城市人口为三亿六千万人,这样中国自动售货机的潜在市场容量为七十三万台。加以每台每天销售二百元计,全年销售额可达五百亿元。政府政策上应予优惠南开大学市场营销学系韩德昌教授分析,自动售货机高(高技术)、新(销售方式新)、大(市场潜力巨大)、真(商品货真价实)等优点,决定这一行业具有广阔发展前景。目前采用这一销售方式的天津微起贸易公司成功的运作说明:自动售货机零售业在中国有巨大的发展前景。与此同时,它还可带动仓储服务、运输中心、配送中心等相关产业的产生和发展,并可安排大量下岗人员就业。南开大学社会学系王处辉教授说,自动售货机零售业在日本销售商品种类多达几百种,成为不少日本人生活中不可缺少的部分。他还建议增加经营品种,除目前的小商品如饮料、香烟外,还可增加药品、文化用品、老百姓日常用品等。分布点扩大到公园、旅游景点、写字楼、大学、中学、高档住宅、小区等更广泛区域。他认为,消费者感觉这种销售方式很新奇,符合创新原则。专家认为,由于这一全新的销售方式在中国有广阔发展前景,政府有关部门应该在税收政策、银行信贷支持等方面给予优惠;同时,呼吁更多金融机构、商业机构来支持这一行业的发展。

广州市思万得科贸有限公司(思万得)是一家专门从事自动售货机产品开发与经营,智能IC卡产品开发、生产及系统集成的高科技公司。

进入新世纪,新千年,思万得与美国、韩国等国际生产厂商合作,生产出符合中国国情的思万得自动售货机。思万得自动售货机的货币识别器除了有识别人民币硬币、纸币的功能外,还增加智能非接触IC卡(与羊城通兼容)的支付功能和最新的手机支付功能,并结合广州市的气候特点进行设计使机器具有较好的防水、防潮、耐高温等特点,适合在室内、外使用。

思万得智能IC卡综合应用系列产品是针对智能企业及智能小区概念而设计的智能IC卡综合应用系统。思万得智能IC卡产品可与广州市羊城交通卡兼容,使其产品更具有广泛的应用潜力。

2、自动售货机发展的国内外现状

自动售货机从17世纪开始出现在富贵人群之中,到20世纪主要出售邮票、明信片等特定商品,逐步发展到出售几乎所有小型日用商品的普及阶段。特别是20世纪70年代以来,随着“以消费者为中心”的现代市场营销观念确立和科学技术进步,自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展,又从原来只能出售有限商品品种,转变为继百货公司、超级市场、便民店之后,以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售业态。目前,自动售货机已进入了五十多个国家的市场。

英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。1942年,在食品销售中首先推广了自动售货的销售方式。1950年,英国食品杂货行有500家采用自动售货机售货。1969年,采用自动售货机售货的商家增加到23000家,销售的商品扩展到文化用品、唱片、香烟、食品等多个方面。进入70年代后,约有40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。1980年英国有50余万台自动售货机,年销售额达8.81亿英镑。

70年代后,日本、美欧等发达国家和地区自动售货机迅猛的发展,短短30年,发达国家自动售货机产业已发展到相当大规模。根据美国“自动时代”统计,目前美国自动售货机拥有量是550万台,平均每40人一台,1998年通过自动售货机销售的商品金额为53亿美元,日本的拥有量是750万台,平均每23人一台,1998年通过自动售货机销售的金额达608969亿日元,其中罐装饮料占其总销量的40%:欧洲平均60人拥有一台。根据日本麒麟啤酒公司调查,一台自动售货机每年可售出上万罐清凉饮料,比一般不太繁忙的小商店的销量还要大;日本可口可乐公司已拥有近100万台自动售货机,其销量占公司全部产量的70%。香烟也是自动售货机的适销产品,自动售烟机销售额占日本香烟销售总额的40%,数量占一半。日本最大的卷烟生产商日本烟草公司拥有15万台香烟自动售货机。一些发达国家的自动售货机己进口到我国广东和上海等沿海发达地区。

如今,自动售货机科技含量越来越高,据美国媒体报道,可口可乐公司正在研制一种新的自动售货机,它将能够根据气温升高而加价出售可口可乐系列软饮料。新近推出的Roboshop,可谓售货机的新生代,外观看上去很像银行的提款机,有屏幕的键盘,你只要点击选好的商品,自动送货臂就会把你所选商品稳妥送到跟前,不再劳你弯腰拾取。而且一部机器出售不同类别的产品,包括寿司、私人用品,甚至价钱不菲的黄蜂精等。还有另外一种新兴售货机,完全没有找钱币的苦恼,即使你身无分文,你大可以通过无线电话付费。芬兰街头有一款朱古力机,只要你下指令,然后打电话到一指定户口,帐目就会自动转到电话费帐单里,即使没有现金,也可以吃到朱古力。

最新颖的自动售货机出售的已不再是食品、百货,而是另一种商品服务。就像东京街头,出现了一种“指甲艺术自动服务机”,爱美的小姐只需将要化妆的手指伸进一个窗口,显示屏上就会出现模拟好的各种指甲图案和相应的价格,投币后按下选择钮,指甲艺术便开始在你的手上自动操作起来;在享受指甲艺术的自动机之外,还有“洗头机”、“擦鞋机”等,都是投币式的自动服务,真可谓生意做到“头”上了。

3、本文主要工作

售货机的最基本功能就是对投入的货币进行运算,并根据货币数值判断是否能购买某种商品,并做出相应的反映。因此,售货机应能够辨识机内包含的商品:售货机应该能够显示已投入的币值,以及再投入货币累计显示;同时提示可以购买的商品(或商品的编号)。当按下选择商品的按钮时,售货机进行减法运算,从投入的货币总值中减去该商品的价格,同时起动相应的电机,提取该商品到出货口,此时售货机继续等待外部命令,如继续交易,则同上,如果此时不再购买,则按下退币按钮,售货机进行退币操作,退回相应的货币,并在程序中清零,完成此次交易。由此看来,售货机一次交易要涉及到加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算,这是它的内部功能,还要有货币识别系统、以及货物和货币的传动系统,来实现完整的售货、退币功能。

本文的主要工作:

(1)明确上位机与下位机之间的任务分工:上位机主要是用来完成组态界面的制作工作,而下位机则主要用来完成PLC(可编程序控制器)程序的编写,和相关数据的上传。

(2)要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集,在进行组态界面的设计时,以真正售货机为模型,在进行PLC程序的编写时可以去参阅PLC的有关书籍,掌握OMRON PLC的I/O点的定义方法和个数,掌握梯形图和助记符的绘制方法。完成基于PLC的自动售货机的编程[1]

(3)上位机与下位机的设计工作是密切配合的。无论在通讯中使用的变量,还是在仿真中控制的对象都应该是一致的。

(4)对上位机和下位机的软件分别进行设计,完成进行上位机的界面设计,以及下位机的设计。最后,完成上位机与下位机的配合工作,进行调试。

1  基于PLC技术的自动售货机方案设计 1.1  PLC简介 1.1.1  PLC的组成

PLC(可编程逻辑控制器)是一种专为在工业环境下应用而设计的控制器,具有很高的抗干扰性和可靠性,是一种数字运算的电子系统,采用了可编程序存储器,并通过数字量或模拟量输入输出,用来监测、控制各种类型的生产过程。处理器是PLC的核心,起着总指挥的作用。它主要完成以下功能:

(1)将输入信号送入PLC中存储起来;

(2)按存放的先后顺序取出用户指令,进行编译;

(3)完成用户指令规定的各种操作;

(4)将结果送到输出端;

(5)响应各种外围设备(如编程器、打印机等)的请求。

目前PLC中所用的处理器多为单片机,在高档机中现己采用16位甚至32位单片机为处理器[2]

存储器:PLC内部存储器有两类:一类是RAM(即随机存储器),可以随时由处理器对它进行读出,写入;另一类是ROM(即只读存储器),处理器只能从中读取而不能写入。随机存取储存器主要用来存放各种暂存的数据,中间结果及用户程序。ROM主要用来存放监控程序及系统内部数据,这些程序及数据出厂时固化在ROM芯片中。

输入输出接口电路:它起着PLC和外围设备之间传递信息的作用。为了保证PLC可靠的工作,设计者在PLC的接口电路上采取了不少措施。输入端采用光电偶合电路,可以大大减少电磁干扰。输出也采用光隔离电路,并分为三种类型:继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。这使得PLC可以适应各种用户的不同要求。其中继电器输出型为有触点输出方式,可用于直流或低频交流负载回路;晶闸管输出型和晶体管输出型皆为无触点输出方式,前者可用于高频大功率交流负载回路,后者则用于高频小功率交流负载回路。而且有些输出电路被做成模块式,可插拔,更换起来十分方便。

电源:PLC电源是指将外部交流电经整流,滤波,稳压转换成满足PLC中处理器,存储器,输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电路或电源模块。为避免电源间干扰,输入输出接口电路的电源回路彼此相互独立。

编程工具:编程工具是PLC最重要的外围设备,它实现了人与PLC的联系对话。用户利用编程工具不但可以输入,检查,修改和调试用户程序,还可以监视PLC的工作状态,修改内部系统寄存器的设置参数以及显示错误代码等。编程工具分两种,一种是手持编程器,只需通过编程电缆与PLC相接,若PLC用的是RS422通信口,则须另加适配器。

输入/输出扩展接口:若主机单元(带有处理器)的输入/输出点数不够用,可进行输入/输出扩展,即通过输入/输出扩展接口电缆与输入/输出扩展单元(不带有处理器)相接,以扩充输入/输出点数。A/D,D/A单元一般也通过该接口与主机单元相接。除了上面介绍的几个主要部分外,PLC还常常配有连接各种外围设备的接口,并均留有插座,可通过电缆方便地配接诸如串行通信模块,EPROM写入器,打印机,录音机等。

1.1.2  PLC的工作原理

PLC虽具有微机的许多特点,但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式,而PLC则采用循环扫描工作方式。在PLC中用户程序按先后顺序存放[3]

对每个程序,处理器从第一条指令开始执行,直至遇到结束符后又返回第一条,如此周而复始不断循环,每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素:一是处理器执行指令的速度;二是执行每条指令占用的时间;三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期大致可分为输入/输出刷新和执行指令两个阶段。

所谓输入/输出刷新是指,PLC先将上一次扫描的执行结果送到输出端,再读入输入数据并存入输出状态寄存器,输出状态的寄存器内容进行一次更新,故称为I(输入)/O(输出)刷新。由于每一个扫描周期只进行一次输入/输出刷新,即每一个扫描周期PLC只对输入,输出状态寄存器更新一次,故使系统存在输入,输出滞后现象,这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见,若输入变量在输入/输出刷新期间状态发生变化,则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之,若在本次刷新之后输入变量才发生变化,则本次扫描输出不变,而要到下一次扫描的输入/输出刷新期间输出才会发生变化。由于PLC采用循环扫描的工作方式,所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。PLC的这一特点,一方面使它的响应速度变慢,但另一方面也使它的抗干扰能力增强,对一些短时的瞬间干扰,可能会因响应滞后而躲避开。这对一些慢速控制系统是有利的,但对一些快速响应系统则不利,在使用中应特别注意这一点[4,5]

总之,采用循环扫描的工作方式,是PLC区别微机和其他控制设备的最大特点,使用者对此应给予足够的重视。

1.1.3  PLC的应用特点

1、高可靠性和强抗干扰能力

高可靠性和强抗干扰能力是PLC最突出的特点之一,主要表现在:

(1)用软件代替传统继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线大大减少,因触点接触不良造成的故障大为减少;

(2)所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离;

(3)各输入端均采用RC滤波器,并采取屏蔽措施;

(4)采用性能优良的开关电源;

(5)对采用的器件进行严格的筛选;

(6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大;

(7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有3个CPU构成的表决系统,使可靠性更进一步增强。

2、丰富的I/O接口模块

为了实现与工业生产过程控制中的各种工业现场设备的相互连接,PLC除具有普通计算机的基本部分(如CPU、存储器等)外,还有丰富的I/O接口模块。对不同的工业现场信号(交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等),设计有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备(按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等)直接连接[6]

3、灵活性好

为了适应各种工业控制需要,除了一些小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

相对于传统的电气控制线路,PLC为改进和修改原设备提供了极其方便的手段,通过修改或重新编写应用软件,就可以用一台PLC实现不同的控制功能。

PLC现今已广泛应用于国内外的钢铁,采矿,水泥,化工,电力,石油,汽车装卸,机械制造,造纸,纺织,环保及娱乐等各行各业。它的应用大致可分为以下几种类型:

开关量逻辑控制是PLC最基本应用;闭环过程控制使PLC做模拟量控制;位置控制实现对各种机械运动时的控制;监控系统进行数据的采集和数据的处理,监控生产过程;分布控制系统实现自动控制的网络化。

PLC与集散系统在数字处理,程序控制方面有优势,与工业控制计算机相比通用性强,硬件结构简单,编程容易,用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。

4、编程简单易学

PLC大多采用梯形图作为主要的编程语言。梯形图是一种面向用户的编程语言,它的表达方式类似于继电器控制系统电路图,具有形象直观、易学易懂的特点。

5、系统安装简单,维修方便

PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。

PLC的各种模块上大多都有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。

1.1.4  PLC的分类

目前,PLC的种类很多,规格性能不一。对PLC的分类,通常可根据它的结构形式、容量或功能进行。

1、按结构形式的分类

按照硬件的结构形式,PLC可分为:

(1)整体式PLC:这种结构的PLC将电源CPU输入输出部件等集中配置在一起,装在一个箱体内,通常称为主机。整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格较低等特点,但主机的I/O点数固定,使用上不太灵活。小型的PLC通常使用这种结构,适用于比较简单的控制场合。

(2)模块式PLC:也称为积木式结构,即把PLC的各组成部分以模块的形式分开,如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等,把这些模块插在板上,组装在一个机构内。这种结构的PLC配置灵活、装配方便、便于扩展,但结构较复杂,价格较高。大型的PLC通常采用这种结构,适用于比较复杂的控制场合。

(3)叠装式PLC:这是一种新的结构形式,它吸收了整体式和模块式PLC的优点,如三菱公司的FX2系列PLC,它的基本单元、扩展单元和扩展模块等高等宽,但是长度不同。它们不用基板,仅用扁平电缆,紧密拼装后组成一个整齐的长方体,输入、输出点数的配置也相当灵活。

2、按容量的分类

PLC的容量主要是指其输入/输出点数。按容量大小,可将PLC分为:

小型PLC:I/O点数一般在256点以下;

中型PLC:I/O点数一般在256到1024点之间;

大型PLC:I/O点数一般在1024点以上。

3、按功能的分类

按PLC功能上的强弱,可分为:

(1)低挡机:具有逻辑运算、计时、计数等功能,有的有一定的算术运算、数据处理和传送等功能,可实现逻辑、顺序、计时计数等控制功能。

(2)中挡机:除具有低挡机的功能外,还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送等功能,可完成既有开关量又有模拟量的控制任务。

(3)高档机:除具有中挡机的功能外,还具有带符号运算、矩阵运算等功能,使得运算能力更强,还具有模拟量调节、强大的联网通信等功能,能进行智能控制、远程控制、大规模控制,可构成分布式控制系统,实现工厂自动化管理[7]

1.1.5  可编程序控制器OMRON CQMI

本设计利用OMRON CQM1A为主要编程工具,利用所学的PLC的知识为编程思想,来完成自动售货机的设计。

1.2  本章小结

本章主要论述了PLC技术及其在自动售货机中的应用,介绍了PLC的选型,以及软件平台的确定。为自动售货机的设计奠定基础。

2  自动售货机功能分析 2.1  自动售货机的基本功能

在进行上位机程序与下位机程序编写之前,首先要做的工作是确定自动售货机本身所具有的功能和在进行某种操作后具有的状态,下面将作具体分析。

在实际生活中,我们见到的售货机基本可以销售些简单的用品,如饮料、常用药品和小的生活用品等,在日本还有诸如计算机等产品,随着人们生活水平的提高,这种便利的销售途径必将广泛服务于我们的生活,销售的产品也会越来越齐全[8]

2.1.1  自动售货机的基本功能

售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算,并根据货币数值判断是否能购买某种商品,并做出相应的反映。我们可以举一个简单的例子来说明,例如:售货机中有2种商品,其中01号商品(代表第一种商品)价格为3元,02商品为5元。之后投入一个一元硬币,此时售货机应该显示已投入的币值,再投入则显示累计币值,当投入的货币超过01商品的价格时,01商品处应有所变化,提示可以购买,其他商品同此。当按下选择01商品的按钮时,售货机进行减法运算,从投入的货币总值中减去01商品的价格,同时起动相应的电机,提取01号商品到出货口,此时售货机继续等待外部命令,如继续交易,则同上,如果此时不再购买而按下退币按钮,售货机则要进行退币操作,退回相应的货币,并在程序中清零,完成此次交易。由此看来,售货机一次交易要涉及到加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算,这是它的内部功能,还要有货币识别系统、以及货物和货币的传动系统,来实现完整的售货、退币功能。

2.1.2  自动售货机的运行环境

售货机在运行过程中要求有很高的可靠性,要时常保证货物的充裕,电源要保持接通,各部件也要正常工作,因此实际的售货机要定时补充货物和检查,防止出现故障而损坏,同时避免给消费者造成损害。

2.2  实验中售货机的分析

由于售货机的全部功能是在上位机上模拟的,所以售货机的部分硬件是由计算机来代替的,如钱币识别系统我们用按钮输出一个脉冲直接给PLC发布命令,而传动系统也是由计算机来直接模拟的,这些并不会影响实际程序的操作,完全能应用于现实中的自动售货机运行。

2.2.1  实验状态假设

由于是在计算机上的模拟运行,实验中有一些区别于实际情况的假设。

本实验中假设:

(1)自动售货机只售2种商品;

(2)自动售货机可识别1元、5元硬币;

(3)自动售货机可退币1元硬币;

(4)自动售货机有液晶显示功能;

(5)实验中售货机忽略了各种故障以及缺货等因素。

2.2.2  一次交易过程分析

为了方便分析,我们以一次交易过程为例。

初始状态:由电子标签显示各商品价格,显示屏显示友好界面,此时不能购买任何商品。

投币状态:按下投币按钮,显示投币框,按下所投币值,显示屏显示投入、消费、余额数值,当所投币值超过商品价格时,相应商品选择按钮变化,提示可以购买。

购买状态:按下可以购买的选择按钮,所选的商品出现在出货框中,同时显示屏中的示数根据消费情况相应变化。取走商品则出货框消失。

退币状态:按下退币按钮,显示退币框,显示应退币值及数量。按下确认,则恢复初始状态。

以上步骤完成一次交易。

2.3  本章小结

本章描述了自动售货机在运行中所完成的功能,由此深入细致地分析实际情况,最终得到完整的自动售货机操作规程,同时介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。

3  用PLC实现自动售货机的设计 3.1  设计任务的确定

首先,应该明确上位机与下位机之间的任务分工;上位机主要用来完成组态界面的制作工作,而下位机则主要用来完成PLC(可编程序控制器)程序的编写,和相关数据的上传。

其次,要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集,在进行组态界面的设计时可以真正售货机为模型,在进行PLC程序的编写时可以去参阅PLC的有关书籍,掌握OMRON PLC的I/O点的定义方法和个数,掌握梯形图和助记符的绘制方法。

再次,对上位机和下位机分别进行设计工作,先进行上位机的设计,再进行下位机的设计。最后,进行上位机设计结果与下位机设计结果的配合工作,经调试后完成整个系统的设计。

另外,上位机与下位机的设计工作是密切配合的。无论在通讯中使用的变量,还是在组态中控制的对象都应该是一致的。总体上讲,组态界面是被控对象,PLC是存储运行程序的装置,而控制指令则由组态界面中的组态控制器件来发出;另一方面,组态界面中的仿真自动售货机的运行,都是由界面所提供的命令语言来完成的。这是整个组态系统内部各大部件之间的内在关系[9]

清楚了我们实验的整体设计思路,下面我们就可以开始着手设计了。

3.2  设计说明

下位机程序的编制则是用的软件CX-PROGRAMMER完成的,CX-PROGRAMMER同样是在WINDOWS系统中使用,在说明程序编制时也用到了相关的词汇。在设计的过程中,并非孤立地分别进行上位机和下位机的设计工作,而是互相配合的。因此在以下的详细设计过程中,我们并没有将上位机的设计与下位机的设计整体分开来写,而是相互交替,同时尽量清晰地叙述,我们会在相应的设计部分中注明是上位机的设计还是下位机的设计。

3.3  工作流程图

工作流程图如图3.1所示。


     是                                                                           是

                         否                                         否

                           否                                           否

图3.1 自动售货机流程图

3.4  PLC程序编写

本节讲述了PLC自动售货机仿真程序的编写,叙述过程大体上是先分后总。设计中使用CX-PROGRAMMER编程软件来编制PLC运行程序。

3.4.1  自动售货机交易过程的分解编程

自动售货机交易过程主要可分解为以下儿块:

(1)投币过程;

(2)价格比较过程;

(3)选择商品过程;

(4)退币过程;

(5)退币结束。

下面就各部分进行程序的编写,进行简要论述。

3.4.2  I/O分配及PLC机型选择

    输入 (1)投入1元硬币   00000

(2)投入5元硬币   00001

(3)啤酒选择按钮  00002

(4)可乐选择按钮  00003

(5)退币按钮      00004

    输出 (1)啤酒营业灯    01002

(2)可乐营业灯    01003

(3)取货口        01004

(4)找零退币口    01005

    PLC机型选择 CPM1A

3.4.3  投币过程

在投币过程中,每投下一枚硬币,投入显示将增加相应的币值,余额也增加同样币值,先建立变量表,再编写程序。

1、建立变量表

投币过程的变量定义如表3.1所示。

表3.1 投币过程变量定义

PLC程序接点

对应地址

 投入一元

 00000

投入五元

00001

2、编制程序

根据上表所列出的变量进行编程,其梯形图如图3.1所示。

图3.1 投币过程梯形图

3、程序解释

当按下投入一元时,相当于让ADD接通,之所以用一个微分指令,就是要只在接通时检测一次,不能永远加下去。加CLC指令是因为在任何加减或移位操作之前应先执行CLC指令,消除加减或移位指令对进位标志位CY产生的影响。由文献可知[10]。投入一元要使投入显示、余额显示都相应增加相同数值,加法是由功能函数ADD来实现的。投入五元,原理同上。

3.4.4  价格比较过程

价格的比较要贯穿实验过程的始终,只要余额大于某种商品价格时,就需要输出一个信号,提示可以购买。我们用选择灯来代表此信号。

1、建立变量表

价格比较的变量定义如表3.2所示。

表3.2 价格比较的变量定义

PLC程序接点

对应地址

 啤酒营业灯亮

1002

 可乐营业灯亮

1003

2、编制程序

根据上表所列出的变量进行编程,其梯形图如图3.2所示。

图3.2 价格比较梯形图

3、程序解释

在这段程序中,为了实现数据的实时比较,我们用了内部继电器20003和20004, CMP是16位数据比较指令,用它来比较余额和商品的价格,即当余额大于等于某种商品价格时,输出代表可以购买的指示灯。

3.4.5  选择商品过程

当投入的币值可以购买某种商品时,按下选择按钮即可在出货框中出现某商品,同时消费显示将要显示出您己经消费掉的币值,余额也将扣除您消费的币值,同时余额继续与价格比较,已判断是否能继续购买。出现在出货口的商品在您没有取出时,一直保持显示状态。

1、建立变量表

选择商品的变量定义如表3.3所示。

表3.3 选择商品的变量定义

PLC程序接点

对应地址

 选择啤酒

00002

 选择可乐

00003

2、编制程序

选择商品的梯形图如图3.3所示。

图3.3 选择商品梯形图

3、程序解释

    在选择过程中,一是要实现商品的出现,二是要实现内部货币的运算,以第一步为例,按下选择啤酒商品键,相当于给内部继电器20005加一个信号,当1002接通时,即系统显示可以购买啤酒商品时,由于取啤酒商品是非指令,这时输出1004,代表在出货框中出现啤酒商品,购买成功。当按下选择啤酒商品按钮时,定时器2秒后工作,与其对应的常开触点TIM001闭合(只接受一次脉冲,所以用DIFU微分指令),KEEP复位,不能输出,代表啤酒商品被取走。

3.4.6  退币过程

在退币过程中,最主要的是要完成退币的运算过程,还要根据结果输出相应的钱币,退币结束时还要给程序重新赋零。

1、建立变量表

退币过程的变量定义如表3.4所示。

表3.4 退币过程的变量定义

PLC程序接点

对应地址

 退币按钮

 0004

 取货口

 1004

 找零退币口

 1005

2、编制程序

选择商品的梯形图如图3.4所示。

图3.4 退币过程梯形图

3、程序解释

内部币值的计算和是否取走商品无关,只要按下选择按钮0002和0003,并且可以购买此商品就要从余额中扣除,显示消费的币值。加法由ADD指令实现,减法由SUB指令实现。整个退币过程在按下退币按钮0004时执行。

3.4.7  退币结束

退币过程结束时,PLC要将寄存器中的数值置回原定的初值,完成一次交易,防止下一次交易时出错。

1、程序编制

退币结束的梯形图如图3.5所示。

图3.5 退币结束梯形图

2、程序解释

程序中我们分别将投入显示、消费显示、余额显示、1元存储、5元存储,还将程序的中间量赋零。完成了以上六个过程,我们对自动售货机的PLC控制程序基本完成,程序可以控制售货机来实现各种功能。

3.5  本章小结

本章在分析了设计任务的基础上,对基于PLC的自动售货机进行了设计,详细地介绍了程序变量的定义及梯形图的编程、程序执行过程的解释。

4  实时监控系统 4.1  世纪星软件的简介

世纪星系统集强大功能和使用方便于一体。可视化IE风格界面、丰富的工具栏,使用它,操作人员可以直接进入开发状态,节省宝贵的时间;上百种图形控件,既提供所需的组件,又是画面制作向导;强大的全屏幕编辑功能,提供更大的制作空间;渐进颜色的使用,将用户带入三维动画世界;终身技术支持及软件升级服务,使用户系统永远保持最新的技术,有效地保护用户的投资。

世纪星的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系,现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场,就可以获得实时数据和历史数据,优化控制现场作业,提高生产效率和产品质量。

系统的概述:世纪星监控组态软件系统由开发系统CSMaker和运行系统CSViewer 两部分组成。CSMaker和CSViewer是各自独立的32位应用程序,均可单独使用;两者又相互依存,在开发系统CSMaker中设计开发的应用程序必须在CSViewer运行环境中才能运行。

  世纪星开发系统      世纪星运行系统

世纪星监控组态软件开发系统CSMaker是其应用程序的集成开发环境。软件开发者在这个环境中完成图形界面的设计、数据库定义、动画连接等。开发系统具有先进完善的图形生成功能;数据库中有多种数据类型,能合理地抽象控制对象的特性,对数据的报警、趋势曲线、历史数据记录、安全防范等重要功能有简单的操作办法。利用图形控件功能可以大大减少设计界面的时间,从整体上提高工控软件的质量。

运行系统CSViewer是世纪星监控组态软件的实时运行环境,用于显示开发系统中建立的动画图形画面,并负责数据库与I/O服务程序的数据交换。它通过实时数据库管理从工业控制对象采集到的各种数据,并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来,同时完成报警、历史数据记录、趋势曲线等监视功能,并可生成历史数据文件。

4.2  世纪星的突出特点

超级图形制作功能;先进的文本语音报警技术;强大的虚拟机技术;强大的Internet发布功能;全新组态报表功能;先进的视频监控功能;全新管理组态概念;设备组态功能;历史数据补余功能;用户工程发布功能;Windows标准控件功能;设备故障自恢复功能;设备通讯测试功能;与其他应用程序的数据交互功能。

4.3  实时监控系统的实现

    组态系统设计要从画面的设计开始,画面设计是组态系统设计的基础。

    首先,在设计画面之前,需要先新建一个工程。在文件夹选项中打开“工程项目管理”中的新建工程项目选项,点击并键入一个工程名后,会弹出一个窗口询问是否建立新项目,当选择“是”的时候会出现一个新的窗口,点击刚才输入的工程名就可以进入所新建的工程目录下了。

然后,就可以进行画面的设计,首先要选择在“新画面”这个任务栏中输入要新建的画面名称以及画面的尺寸大小,并选择出所要设计的画面的背景色及尺寸等相关选项,然后点击“确定”,则出现了一个根据所选背景色及相关选项的所产生的新画面。当新画面建立好之后,就可以按照题目要求来用各种绘图工具以及各种控件进行组态画面的设计[11]

4.4  实时监控系统的设计与调试

世纪星监控组态软件是在PC机上开发的智能型人机接口软件系统,它以Microsoft Windows 98/2000/NT中文平台作为其操作系统,充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。它比以往使用专用机开发的工业控制系统更有通用性,并且可以利用PC机丰富的软件资源进行二次开发。

4.4.1  建立新工程

首先,建立一个新工程。如图4.1所示。

4.4.2  实时监控系统的内部参数设定

变量数据库又称变量字典,它是世纪星组态软件的核心,是一个实时数据库,它是若干变量的集合。本系统为用户提供了四大类型变量:系统变量、内存变量、I/O变量和特殊变量。本系统主要采用其中的系统变量和内存变量。系统变量是系统预先设置的变量,这些变量用户可以直接使用。系统变量又分为系统离散、系统整数、系统实数、系统信息和系统报警变量。系统变量设有只读和读写属性,只读变量如系统时间等,由系统自动更新,用户改变这些变量的数值;对于具有读写属性的系统变量,用户可以改变变量的数值。系统变量都由$字符开头,用户不能修改或删除;用户定义的变量的ID号从101开始向下排列,定义一个变量后(已经保存),除变量类型不能修改外,变量的其他属性都能修改。内存变量分为离散、整数、实数、信息等四种类型。变量数据库管理如图4.2所示。

4.4.3  软件命令语言的编程

在世纪星中,图形控件的变化需要条件的触发。世纪星本身所带的类似C语言的命令语言来驱动应用程序,而且系统在定义动画连接时支持动画连接表达式。世纪星的命令语言是由简单的判断语句构成。本系统的命令语言的编程方法如图4.3所示。

4.4.4  世纪星组态图

自动售货机组态图如图4.4所示。

图4.1 建立新工程

图4.2 内部参数设定

图4.3 应用程序命令语言

图4.4 自动售货机组态图

结  论

本文详细介绍了自动售货机控制系统的组成和设计思想,以及发展前景,并且对自动售货机的控制进行了详细的叙述以及系统的设计,完成了对系统的控制要求。

本论文在论述了自动售货机的发展过程及国内外发展现状的基础上,介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理。同时文中分析了自动售货机的基本功能、运行环境以及工作过程。文中介绍并应用了相关的硬件和软件知识,在进行PLC梯形图编写时,采用欧姆龙PLC专用的编程软件CX-PROGRAMMER。本论文的重点放在PLC的编程指令在控制自动售货机复杂运作中的实际运用。本设计是以PLC电气控制为基础,通过对自动售货机的功能进行分析,制定出具体的设计方案和设计步骤;通过对上位机的界面编制和下位机的程序编制来达到自动售货机的功能完善。

但是由于时间有限,本系统仍存在着许多问题,在系统的结构设计上还有许多不完善的地方,组态动画不健全,部分结构运行困难。

致  谢

作者首先感谢学校为本人提供学习的机会和条件,以及对本人的悉心教育。

本文的工作是在导师周硕的悉心指导下完成的。从论文的选题,到研究工作的深入,以至论文的撰写和修改都凝聚着恩师的心血。同时,在此次毕业设计的过程中我也学到了许多有关自动售货机的知识,实验技能有了很大的提高。在此,我对导师和沈阳理工大学的教师表示忠心的感谢。

最后,再次对所有帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢。

参考文献

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[2]  耿文学.可编程序控制器应用技术手册.科学技术文献出版社,1996:P26-P27

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[4]  汪道辉.逻辑与可编程控制系统.机械工业出版社,1997年:P194-P198

[5]  郑晨.现代可编程序控制器原理与应用科学出版社,2003年:P76-P78

[6]  李国厚.PLC原理与应用设计.化学工业出版社,2005:P113-P114

[7]  李建兴.可编程序控制器及其应用. 机械工业出版社,1999:P22-P23

[8]  李国厚.PLC原理与应用设计.化学工业出版社,2005:P6-P7

[9]  郭宗仁,吴亦锋,郭永.可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术.人民邮电出版社,2004年:P116

[10] 李树雄. PLC原理与应用. 北京航空航天大学出版社,2006:P44-P47

[11] 世纪星使用手册.P3,P26

附录A  梯形图

附录B  原文

附录C  译文

Can Saygin   Firat Kahraman

   一个基于互联网的可编程序逻辑控制器实验室的制造工程学教育

收到日期:2003年2月25日/接受:2003年5月3日/网上公布:2004年4月21日(C)施普林格出版社,伦敦有限公司2004

摘 要

本研究提出了设计与开发一个基于网络的可编程逻辑控制器(PLC)的系统结构,在自动化制造系统控制范围内,远程教育支持“实践”的实验演练。该系统架构允许远程用户通过互联网访问和控制基于PLC的桌面制造系统。网站已经设计和开发,便于互动,并支持PLC编程和控制。在2001年秋季,在密苏里大学rolla的工程管理部,系统架构已经过测试,并在这个过程中实施了emgt 334计算机集成制造系统的综合系统设施(ISF)。本研究报告表明,软件工具可以在市场上整合,为远程教育以制定一项相当复杂而有效的学习环境,本文提出的系统架构是不依赖于具体的PLC的硬件或软件配置,它已经成为通用的基础设施。

关键词:自动化制造系统控制;电子实验室;电子制造业;基于互联网的远程教育;制造工程学教育;基于互联网的制造业

B.1  介绍

    本研究的目标有三个方面:(1)设计一个基于网络的可编程逻辑控制器(PLC)的系统架构,允许远程学生获取制造设备,通过互联网做他们的实验室练习;(2)建立一个基于网络的原型PLC环境,以实施或测试概念,(3)并最终使用原型环境中的远程教育课程。提出的架构提供了一些优势,以开办在制造工程的远程教育课程。它有利于在学习过程中透过网际网路提供一个基于网络浏览器的用户界面,这个界面连接着一个物理制造实验室环境。通过这些用户界面,远程学生上网访问物理制造器材并且控制它们作为他们的实验室练习的部分,而无须进入实验室。同样,这一概念为本文提供了巨大的潜力,为工业提供了一种手段,远程监测,控制,诊断制造系统位于不同的地理位置。

在本文提出了基于互联网的制造系统的控制结构,允许通过互联网远程接入到PLC受控桌面控制制造系统设备。当用来作为远程教育计划的一部分时,该架构提供了双方对现场和远程学生同样的学习环境,以最大限度地减少两个学生团体学习素质的差异。这个做法及其他类似的方法,通过国际互联网控制“真正的”设备的根本区别是,它主要依赖计算机模拟或动画。

本文被编排如下。第二部分是关于在教育方面的基于网络的应用程序文献调查回顾。第三部分描述基于互联网的PLC系统的设计和发展。第三部分也包括实施阶段,并且包括为发展原型环境的的技术规格硬件和软件模块。第四部分是结论。

B.2  文献调查

在多所大学,以日新月异的互联网及其被广泛认同作为学习和教学一个强有力的媒介,远程教育已成为一个重要的组成部分。互联网和它的普遍认同的世界性传播给远程教育带来了新的机会,这是由于它的灵活性,提供了让学生在不同的地方和在不同的时刻学习[1]。增加招生的成人学习者,他们需求远程教育,从远程地点使用新的信息技术工具和技术,这一点已被观察到。由于这个新的需求,大学改变他们的计划并且调整他们的学术政策,以容纳这些新的学习者[2]

远程教育可以被定义为交付方式或选择方式,以适应学生的需要[3]。对大学而言,它是一个意料中的选择,因为它使他们能为在不同地点的学生提供计划和课程,而不管他们可能多遥远或多分散。它也允许有关机构,以限制持续教育的成本既提供内部的教育设施,即可以使用同一个灵活和适应性的日程表,并通过的减少在工作场所外的实验室教育的花费和时间两个方面[4]。众所周知,教学指南断言,学生和学习更有效的关系,在于学生和导师之间有一个高层次的积极的互动[5,6]。不过目前许多远程教学技术是被动的,因为交流只是在一个典型地单方向流动,即仅是从辅导员给学生,并没有反馈或在反向被延迟的反馈[6,7]。对于这种类型的远程学习,以录影带为基础的课程和网上材料都是典型的例子。在网上提供的,包括说明材料和其它典型合作手段的特点是经常不能充分支持所需要的学科的完整的学习经验。学生也必须开发操作上的实践经验[8]。例如,提供远程教育的学生以演讲笔记、现场视频流和在互联网的双向实时通信,在技术上是可能的。从制造业工程学立场,作为远程教育计划,通过互联网是很难补全关于实践实验室应用的演讲。

制造工程学与系统相关的培训课程,有很强的基础理论课程,如机械,电子和应用数学[9]。虽然,课程教材在形式上的讲义和现场视频流可以很容易随时随地被交付给利用新兴的互联网技术的学生,然而实验室实习在实际机器和设备上的有效距离传送依然是一个具有挑战性的问题。

从基于互联网的制造业实践立场来看,一个有效的学习环境不应该导致孤立的和被隔绝的学习形式;它应该提供给学生对制造系统的控制参数作出改变的能力,并进一步体验成果。因此,在学习过程中,作为积极的参与者,学生将影响他们应付学习材料的方式。除了基本的课程管理之外,许多工程学课程已经开始使用万维网,将其用于虚拟和远程的实验室[10]。如Java小程序,LabVIEW软件,Matlab,工作模型等软件工具和技术,现正被广泛应用在各大学,以补充传统的在线教育内容所构成的讲义,以及多媒体应用等。

由于今天的硬件和软件技术,如由几位研究员所展示的那样,人们有可能遥控控制仪器和装置。Koetal展示一个基于互联网的被结合的容器用具的实验室控制实验[11]。他们还建立了互联网实验室的一个频率调制实验[12]。Shor和Bhandari描述了其发展的一个应用程序,使得用户能够从远端进行实验[13]。因此,基于互联网的实验室这一概念并不新鲜。随着越来越多的复杂性和跨学科性的技术研究和现代产品的开发,现在越来越需要互动,并且协作实验不受物理位置的限制[14]

由Koetal总结[15]。整合互联网与教育,可以根据的内容大致如下:(1)课程网站提供便利的课程管理;(2)用远程动画/虚拟仿真实验室,以取代物理实验;(3)一个远程的实验室实验,为学生设立参数,并进行实验,通过互联网用真正的设备做试验。

第一类的一个一体化的例子,是为了医疗教育的互联网病理实验室[16]。这种流行的网络资源包括1900个影像与文字,教程,实验室练习,还有自我评估的考试项目,用以展示人的疾病状况的宏观和微观病理性研究结果。其他例子是为了华盛顿州立大学(WSU)的自动化生产课程做的实验室试验。华盛顿州立大学通过WSU管理的一个互动式电视网络系统,对远程学生实施实时实验室学习,这个系统叫做WHETS[17]

这个系统提供WSU之间多个校园的实时音频和视频链接。它也与相似的系统连接,例如波音教育网络(本)或与在整个国家各种各样的社区学院和高中的K-20站点。通过带领设备进入教室,并连接到互联网,系统由互联网增添提供从WSU温哥华的实验室会议到在WSU普式火车和在波音在的西雅图的whets课堂的学生。

第二种类型的一体化网上教育是“虚拟实验室”。Poindexter定义了在互联网上虚拟实验室通过软件模仿操作实际设备[10]。以不列颠哥伦比亚大学的Java Applet技术为基础的虚拟实验室,让学生可以进行试验,如开放渠道流程实验,他们可以通过改变这两个上游的深度和基石高度,仍可看到不同的流动型态的实验[18]。其他有趣的实验是,基于Java虚拟的实验室的绕流多孔平板吹流中近圆形缸。由亚拉巴马大学亨茨维尔虚拟实验室提供的基于网络资源在概率和统计这些领域的互动[19]。替换物理实验的一个远程的动画/模仿虚拟实验室的例子是约翰霍普金斯大学的虚拟工程学/科学实验室[20],运用Java编程语言和互联网模仿工程学和科学实验室项目。在实验室可以做的某些试验是逻辑电路、扩散过程、石油钻井、机器人控制和在输送管的热传递。

在虚拟实验室使用的Java附属程序有两个类型:(1)模仿程序。(2)数据生成程序。模仿程序是随机过程的模仿,被设计显示在数学理论的预言和行为过程之间的协议。这些通常指在实验中的文学。数据生成应用程序是应用程序中,学生在一个游戏中作出的选择或者点击在散布图或人数线所产生的数据。当模拟和动画作为虚拟实验室一个组成部分时,有几个明显的优势。它提供了一个有效的学习环境,让学生熟悉概念或相关的特定应用物理设备及其控制参数有关规划和操作水平,而无需与物理设备互动。学生能在他们自己的节奏下实验和学习,不用担心受伤或损坏设备。另外,同一套软件工具可以供本地和非本地学生使用。由于只有有限的部分,整个系统的行为,可以模拟,而从实验室应用和实验工程的立场来看,这些工具不能完全取代实体装置[24]

虽然基于互联网教育的上述类型的综合实验室能有效地提供一个课程的总的概念,但是有必要找到一种提供物理系统实际操作经验的方法。通过在互联网的物理设定,已经为提供学生实际练习或实验经验进行了多次尝试。在普渡大学,一所叫做softlab的远程实验室已被建立,为物理实验和数值模拟提供优良的环境[21]。在安装softmedia后,用户可以远程控制一些真实仪器,专用软件。访问的服务在实验室里。Aktanetal描述了一个允许户远程控制三度自由机器人胳膊的远程实验室[22]。使用客户端服务器结构,要求软件X终端适当地被设定。注意到,在客户端和服务器之间,使用用户数据协议(UDP)的通信,也许是不可靠的。Werges和Naylor描述了一个被称为网络化教学仪器设备的远程实验室,在一个图书馆的测试设备和仪器内进行测量,允许多用户接入[23]。为了访问实验室,要求用户必须安装一个客户端软件,建立用Java使用Microsoft J++。

B.3  系统设计与开发

这项研究的根本目的是建立一个基于网络化制造系统的控制环境,这也是使用物理设备,教PLC编程和控制因特网。在设计上的限制和要求,可以列出如下:

(1)开发Windows操作系统兼容的软件模块,以执行构造。

(2)提供灵活和强大的功能,以减低作为一个远程的学生潜在的弊端。

(3)集成系统到互联网,不用丢失的硬件效率和系统能力。

(4)提供工具,以方便自学。

(5)在它们将被下载到实际控制器执行之前,制定一个验证工具来调试PLC程序。

(6)整合预订系统,使远程学生可以很方便地预定基于网络的实验室环境做自己的实验室任务。

(7)从学生获得基于互联网的环境表现的反馈。

图B1 于互联网的PLC控制环境及基本的框架

框架设计的执行是根据工程学和技术检定委员会(ABET)为实验室建立的一套指南。

在过去几年内,评审当局努力为网上实验室确定如何评估教育机构的长途工程学计划和设定规则及宗旨。工程学和技术检定委员会处于开发一套网上实验室的指南早期阶段。彼得森,工程学和技术检定委员会的执行董事,建议董事会先建立传统的实验室标准,然后再应用这些目标于在线实验室,以满足同样的标准[25]。为了建立这些标准,工程的官员开始了第一步,并在2002年1月圣迭戈会见了。他们为一个成功的传统实验室想出了13个目标。如图B1所显示,为发展基于互联网的PLC实验室,这些目标已被用来作为指南。

B3.1  系统的体系结构

该系统的体系结构,如图B2所示,是建立在三层结构上的。用户端电脑,在三层- 1,与PLC控制系统连接,位于三层-3,在互联网上通过一个系统控制器和系统的支持者,位于三层-2。

图B2  系统体系结构

三层-1:用户端电脑,配备了网页浏览器和Windows 2000终端服务客户端软件,开发PLC程序和在物理模型上执行他们。基于HTML的帮助文件,并预订系统,以储备时段,是提供给通过其网络浏览器的用户,对物理模型做实验室演习。PLC的特定的软件可通过Windows 2000终端服务。

三层-2:使用奔腾III 500 MHz的个人计算机,运行Windows 2000,被用来作为系统控制器。Rslogix 500,Rslinx,仿真器500,Wonderware和Windows 2000终端服务驻留在系统控制器。Rslogix 500是一个PLC程序包。Rslinx链接设备及软件应用系统。仿真器500是用于编制PLC程序,而不用被连接到物理PLC。因此,它作为一个虚拟的PLC该软件层支持多用户访问。wonderware是用来发展实际物理系统的动画模型。Windows 2000终端服务通过国际互联网的所有这些软件模块方便远端存取。

另一台奔腾计算机是用来作为该系统的支持者。它的主功能将担当一台超文本传输协议(HTTP)网络服务器和设置远程用户的适当的网页。基于HTML的帮助文件和预订系统在这台电脑上。用户首先登录到这台计算机,然后获得对系统控制器的通入。

三层-3:输送带,配备传感器,若干盏灯,和一汽缸,是用来作为基于网络的PLC实验室的物理模型。亚伦・布雷得里SLC 500 PLC被用于控制物理模型。PLC使用RS-

Logix 500软件包,通过在系统控制器上的Windows 2000终端服务器编程。然后程序被编写并且通过RS-232端口下载到PLC上。在Wonderware上开发的一个真正的物理系统虚拟模型,为PLC程序验证提供动画。

通过网络摄像机的现场视频是为了提供用户监测制造业应用的执行。网络摄像机是一种基于网络的实时视频流相机,并且设有内置式视频服务器的能力。它包括一个镜头,光学过滤器,图像传感器,图像数码,图像压缩和网络服务器与网络连接。网络摄像机有它自己的IP地址,包括计算功能,以处理网络通信协议,如TCP/IP协议。不同于网络或个人计算机照相机,网络照相机不要求被连接到个人计算机。二轴2100网络摄像机是在这方面的应用。该相机支持ActiveX和Java程序,因此,传授平台独立于他们的功能。

B3.2  实施

2001年秋天期间,为了达到原型测试的目的,系统的体系结构已在Emgt的334个计算机集成制造系统下被实施了,有三十名作为校外学生的本地学生参加。PLC编程及控制演习,是在工程学管理部门其中的一个计算机实验室通过网络举办的。而从不需要真的进入实验室。实验室演习,包括发展一个基于由导师提供的提纲的阶梯逻辑图,通过“动画”模型测试它,并最终在物理系统上执行PLC程序。

图B3  用户界面典型的序列基于互联网PLC编程和控制的

(1)基于互联网的PLC编程和控制系统的主要网页。

(2)教PLC编程的帮助文件。

(3)概要地描述如何使用PLC编程软件RSLogix的帮助文件。

(4)为使用Windows终端服务的帮助文件。

(5)允许一个远程用户下载PLC程序的预订系统。仅允许一名“活跃”用户。

(6)可以多用户访问动画模型和核实或测试他们的PLC程序。

(7)“活跃”用户在物理模型上执行他的PLC程序。

图B3显示用户界面序列远程用户,通过典型地驾驶为了做他的实验室练习。图B3显示了一系列的用户界面,在这种界面下,远程用户通常会透过导航来做他的实验室练习。

完成他们的实验室演习后,学生被要求通过填写网上问卷提供反馈意见,从而构成九大报表来大致衡量系统的成效。对于每个声明,提供了六项选择:有/无,差,良,好,非常好,优秀。学生被要求评价以下声明:

(1)文件组织完善,友好的用户和通俗易懂。

(2)示例PLC程序通俗易懂,以及时地完成实验室任务。

(3)实验室任务(即提纲)是明确定义的。

(4)预定系统是为了方便制定时间表,调度时间做实验室练习。

(5)预留时间充足以成功完成实验室应用。

(6)PLC程序文档容易下载到PLC。

(7)基于互联网的PLC实验室环境,作为一个集成系统,运作良好。

(8)实验员以及时和有效的方式回答我们的问题。

(9)这个电子实验室达到我们的期望。

    总之,学生对问卷已作出积极回应。在实验室会议期间,发现出席率近100%,这表明成功引起了学生的兴趣。通过调查问卷,以及与学生的讨论,结果表明,学生能够以他们自己的节奏掌握学习,这是由于系统的友好用户方式和开放式体系结构。过程中收到的反馈意见正在被探讨,以改善整体的用户体验和系统功能。

B4  结论

本文提出了一种基于互联网的PLC编程及控制系统。该体系结构允许远程用户通过国际互联网访问PLC控制的生产设备。该系统的体系结构提出了在这项研究中已经作为一个基于互联网的PLC实验室被实施了,该结构采用一个PLC控制输送系统,各种传感器,灯,和一个汽缸。在2001年秋天期间,基于互联网的PLC实验室在课程Emgt的334个计算机集成制造系统中被当作其中一种实验室应用使用了。

基于通过提出的基于互联网的PLC实验室体系结构的设计、发展和实施而获得的经验,得出了以下结论:

(1)如果有效地如期进行,通过国际互联网,学生可以共享相同的设备,而不论其所处的地理位置。

(2)大学可以分享设施,而不是单独对实验室设备投资,并且可以改进学习的质量。

(3)动画是验证控制程序的一个非常强有力的工具。在实际设备上执行程序,可能会导致碰撞和损害该系统,通过动画就不用测试它们了。动画有助于验证程序,从而防止损坏设备。此外,几个学生可以同时工作,在动画的环境下,做他们的实验室演习。

(4)对教育来说,使用基于互联网的PLC系统进行远程实验没有被限制。在制造业方面,通过对遥远的设施的远程存取提供远距离监控手段,为控制和诊断位于不同的地理位置的制造系统提供独特的机会。

虽然只有一名“积极”的用户可以与物理模型进行互动和下载/执行他的PLC程序,但是因为它复制的物理系统,动画模式支持多用户进入虚拟环境。在这项研究中,PLC程序运行了物理系统,也运行了动画模式。因此,从PLC编程的立场来说,“真正的”和“模拟”世界没有什么区别。

基于互联网的学习环境,如果他们对教育上较不重要问题的设计需要给予更多注意,例如怎样访问网页,连接到服务器或者输入正确的密码,而不是更加重要的教育问题,例如学会到编写PLC,可能会妨碍学习进程。不过,这项研究表明,在市场上有软件工具可以给远程教育综合发展一个相当复杂,但有效的学习环境。在本文提出的结构体系不依靠特殊的PLC硬件或软件,因此,它代表了一个通用的基础设施。

致  谢

作者对支持和资助这项研究的哈利伯顿公司,在尔乌姆尔制造业的工程教育计划,和工程管理的部门表示感谢。

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