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[摘 要] PLC和组态软件构成的电气监控系统广泛应用于各种工业现场，本文提出了基于西门子公司的S7-200系列PLC和力控6.1组态软件的培训系统设计方案，实现对受训者进行PLC、组态软件等自动化监控系统综合培训。
[关键词] PLC 组态监控 实验 培训
中图分类号：U262
1.引言
目前，PLC （Programmable Logic Controller），可编程逻辑控制器，因其结构简单、维护方便、稳定性高等优点，广泛应用于各种工业现场，并成为工业控制的核心。对PLC控制系统的应用和维护工作变得越来越重要，对相关技术人员的培训工作也具有了广泛的市场。现阶段，基于PLC系统本身的编程培训很多，极少有培训将PLC系统和上位机监控系统综合在一起进行。而在工业现场，PLC系统一般是和上位机监控系统配合起来使用，实现对工业现场运行参数的实时监控。基于这方面的考虑，本文提出了基于西门子PLC和力控6.1组态监控软件的培训系统设计方案，对受训者进行完整的上下位机编程培训。
2.系统概况
2.1 PLC介绍 西门子公司生产的S7-200系列PLC，其可靠性高、指令集丰富、易扩展，应用领域涵盖所有与自动检测、控制有关的工业及民用领域，包括各种机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。本培训系统采用的PLC为224CN型CPU，它集成了14路输入、10路输出共24路数字量I/O点，16K字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。本系统还包括1个以太网模块，1个AI扩展模块，2个AO扩展模块，1个DO扩展模块，使系统增加控制点数并支持以太网通讯。
2.2 组态监控软件力控6.1介绍 北京三维力控科技有限公司开发的组态软件力控6.1，是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，力控6.1运行在普通PC上，即可配合下位机系统，实现远程数据的检测、控制、存储、报警输出等功能。力控监控组态软件基本的程序及组件包括：工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O 驱动程序、控制策略生成器、各种数据服务及扩展组件，其中实时数据库是系统的核心。
2.3 系统结构介绍 本培训系统的结构，PLC与计算机之间有两种通讯方式，一是通过PPI/PC电缆，计算机和PLC的PPI口进行通讯；二是通过PLC配置的以太网模块CP231，计算机和PLC进行以太网通讯。上位机系统由计算机及相关软件组成。计算机上装有PLC的逻辑编程软件“Step7 MicroWIN4.0”和组态软件“力控6.1”。Step7 MicroWIN4.0负责对PLC的运行程序进行编辑。编辑好的程序下载进PLC的CPU，PLC即可运行。通过力控6.1监控PLC的运行状态，实现运行数据的实时监控、存储。下位机系统由CPU、CP231模块和I/O模块组成。通过I/O模块和CPU自带的I/O通道， PLC实时监控现场信号；通过以太网通讯模块CP231，PLC以以太网的形式与计算机通讯。
3.系统硬件设计说明
3.1电源系统 本系统采用2个独立的24V开关电源供电。电源1用于PLC系统供电，电源2用于继电器输出供电。交流220V经空气开关，接到开关电源的交流输入侧。开关电源1输出24V直流电接到PLC系统的直流24V输入端，PLC的直流24V输出接到I/O模块的24V输入端，为I/O模块供电。
3.2 AI电路 AI模块接线，现场电流/电压信号接到AI模块的信号输入端。接收电流信号A+和RA端短接，接收正信号，A-接收负信号。对于电压信号，则RA不用，A+接收正信号，A-接收负信号。选择不同的信号种类，需要选择模块的配置开关，选择开关表如表1。
3.3 AO电路 AO模块接线，当输出0——20mA电流信号时，I0、M0通过端子输出至现场，当输出-10V——10V电压信号时，V0、M0通过端子输出至现场。
3.4 DI电路 DI模块接线，外供24V电源的正端接到开关量的一个触点上，负端接到模块的公共负端，当开关量闭合，24V直流电压送至DI通道，PLC采集到1，开关量断开，采集到0。
3.5 DO电路 DO模块的接线，输出通道和公共端分别接到继电器线圈的正负输入端。当输出为0时，相应通道对公共端电压为0V，继电器线圈不通电，触点断开。当输出为1时，相应通道对公共端电压为24V，继电器线圈通电，触点闭合，由开关电源2供的24V直流电输出至端子，继而输出至现场。
4.基本实验设计
4.1 整体思路 根据硬件系统，实验课程设计由浅至深，以对受训者进行PLC及监控软件的编程培训。每一个实验，侧重点不同，涉及的系统功能不同，但遵循相同的设计原则，以使课程更易懂。
实验设计步骤如下：（1）根据PLC及监控软件的功能特点，设计实验目标，即当前实验所要实现的功能。（2）根据实验目标，编写标准程序，列出知识点。（3）根据实验目标和软件编写完整的实验步骤。（4）实验总结。
4.2 以太网实验 该实验利用以太网模块CP231实现PLC与计算机监控软件力控6.1的远程通讯。实验目的是使受训者掌握PLC工作在以太网通讯模式下的上下位机的软硬件配置方法。
4.3 数字量操作实验 该实验是PLC系统对数字量信号的操作控制实验，使受训者掌握PLC的I/O模块与数字信号之间的接线方法、编写PLC程序实现对数字量信号的控制以及使用力控做简单组态。
4.4 模拟量操作实验 该实验基于模拟信号设计，完成对受训者模拟量操作的相应训练，使受训者掌握模拟量操作的相关上下位机编程知识及使用力控做简单组态。
4.5 综合实验介绍 一般工业现场，既有模拟信号的监测、控制，又有数字信号的输入、輸出。只有各种信号综合处理，才能实现现场参数的有效监控。该实验结合了数字及模拟信号的综合操作，应用了PID算法实现被控量的闭环控制，使受训者能够掌握PID控制的相关设置，加深对整个PLC及上位机系统的理解。
5.结束语
实践表明，该培训系统将PLC的培训和监控软件的培训组合起来，不仅能够完成数字量、模拟量和综合控制等实验功能，且系统接近于生产现场实际，便于反复实操练习，有效满足学员对于PLC、组态软件等自动化监控系统综合学习的要求。另外，系统具有可扩展性，将来可以通过增加传感器等方式，构建更完善的仿真监控系统。
[参考文献]
[1]《S7-200可编程控制器系统手册》，西门子有限公司，2006年。
[2]《PLC应用技术问答》，廖常初，机械工业出版社，2006年4月。
[3]《力控图形界面开发手册》，北京三维力控科技有限公司，2006年。
[关键词] PLC 组态监控 实验 培训
中图分类号：U262
1.引言
目前，PLC （Programmable Logic Controller），可编程逻辑控制器，因其结构简单、维护方便、稳定性高等优点，广泛应用于各种工业现场，并成为工业控制的核心。对PLC控制系统的应用和维护工作变得越来越重要，对相关技术人员的培训工作也具有了广泛的市场。现阶段，基于PLC系统本身的编程培训很多，极少有培训将PLC系统和上位机监控系统综合在一起进行。而在工业现场，PLC系统一般是和上位机监控系统配合起来使用，实现对工业现场运行参数的实时监控。基于这方面的考虑，本文提出了基于西门子PLC和力控6.1组态监控软件的培训系统设计方案，对受训者进行完整的上下位机编程培训。
2.系统概况
2.1 PLC介绍 西门子公司生产的S7-200系列PLC，其可靠性高、指令集丰富、易扩展，应用领域涵盖所有与自动检测、控制有关的工业及民用领域，包括各种机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。本培训系统采用的PLC为224CN型CPU，它集成了14路输入、10路输出共24路数字量I/O点，16K字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。本系统还包括1个以太网模块，1个AI扩展模块，2个AO扩展模块，1个DO扩展模块，使系统增加控制点数并支持以太网通讯。
2.2 组态监控软件力控6.1介绍 北京三维力控科技有限公司开发的组态软件力控6.1，是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，力控6.1运行在普通PC上，即可配合下位机系统，实现远程数据的检测、控制、存储、报警输出等功能。力控监控组态软件基本的程序及组件包括：工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O 驱动程序、控制策略生成器、各种数据服务及扩展组件，其中实时数据库是系统的核心。
2.3 系统结构介绍 本培训系统的结构，PLC与计算机之间有两种通讯方式，一是通过PPI/PC电缆，计算机和PLC的PPI口进行通讯；二是通过PLC配置的以太网模块CP231，计算机和PLC进行以太网通讯。上位机系统由计算机及相关软件组成。计算机上装有PLC的逻辑编程软件“Step7 MicroWIN4.0”和组态软件“力控6.1”。Step7 MicroWIN4.0负责对PLC的运行程序进行编辑。编辑好的程序下载进PLC的CPU，PLC即可运行。通过力控6.1监控PLC的运行状态，实现运行数据的实时监控、存储。下位机系统由CPU、CP231模块和I/O模块组成。通过I/O模块和CPU自带的I/O通道， PLC实时监控现场信号；通过以太网通讯模块CP231，PLC以以太网的形式与计算机通讯。
3.系统硬件设计说明
3.1电源系统 本系统采用2个独立的24V开关电源供电。电源1用于PLC系统供电，电源2用于继电器输出供电。交流220V经空气开关，接到开关电源的交流输入侧。开关电源1输出24V直流电接到PLC系统的直流24V输入端，PLC的直流24V输出接到I/O模块的24V输入端，为I/O模块供电。
3.2 AI电路 AI模块接线，现场电流/电压信号接到AI模块的信号输入端。接收电流信号A+和RA端短接，接收正信号，A-接收负信号。对于电压信号，则RA不用，A+接收正信号，A-接收负信号。选择不同的信号种类，需要选择模块的配置开关，选择开关表如表1。
3.3 AO电路 AO模块接线，当输出0——20mA电流信号时，I0、M0通过端子输出至现场，当输出-10V——10V电压信号时，V0、M0通过端子输出至现场。
3.4 DI电路 DI模块接线，外供24V电源的正端接到开关量的一个触点上，负端接到模块的公共负端，当开关量闭合，24V直流电压送至DI通道，PLC采集到1，开关量断开，采集到0。
3.5 DO电路 DO模块的接线，输出通道和公共端分别接到继电器线圈的正负输入端。当输出为0时，相应通道对公共端电压为0V，继电器线圈不通电，触点断开。当输出为1时，相应通道对公共端电压为24V，继电器线圈通电，触点闭合，由开关电源2供的24V直流电输出至端子，继而输出至现场。
4.基本实验设计
4.1 整体思路 根据硬件系统，实验课程设计由浅至深，以对受训者进行PLC及监控软件的编程培训。每一个实验，侧重点不同，涉及的系统功能不同，但遵循相同的设计原则，以使课程更易懂。
实验设计步骤如下：（1）根据PLC及监控软件的功能特点，设计实验目标，即当前实验所要实现的功能。（2）根据实验目标，编写标准程序，列出知识点。（3）根据实验目标和软件编写完整的实验步骤。（4）实验总结。
4.2 以太网实验 该实验利用以太网模块CP231实现PLC与计算机监控软件力控6.1的远程通讯。实验目的是使受训者掌握PLC工作在以太网通讯模式下的上下位机的软硬件配置方法。
4.3 数字量操作实验 该实验是PLC系统对数字量信号的操作控制实验，使受训者掌握PLC的I/O模块与数字信号之间的接线方法、编写PLC程序实现对数字量信号的控制以及使用力控做简单组态。
4.4 模拟量操作实验 该实验基于模拟信号设计，完成对受训者模拟量操作的相应训练，使受训者掌握模拟量操作的相关上下位机编程知识及使用力控做简单组态。
4.5 综合实验介绍 一般工业现场，既有模拟信号的监测、控制，又有数字信号的输入、輸出。只有各种信号综合处理，才能实现现场参数的有效监控。该实验结合了数字及模拟信号的综合操作，应用了PID算法实现被控量的闭环控制，使受训者能够掌握PID控制的相关设置，加深对整个PLC及上位机系统的理解。
5.结束语
实践表明，该培训系统将PLC的培训和监控软件的培训组合起来，不仅能够完成数字量、模拟量和综合控制等实验功能，且系统接近于生产现场实际，便于反复实操练习，有效满足学员对于PLC、组态软件等自动化监控系统综合学习的要求。另外，系统具有可扩展性，将来可以通过增加传感器等方式，构建更完善的仿真监控系统。
[参考文献]
[1]《S7-200可编程控制器系统手册》，西门子有限公司，2006年。
[2]《PLC应用技术问答》，廖常初，机械工业出版社，2006年4月。
[3]《力控图形界面开发手册》，北京三维力控科技有限公司，2006年。