專利名稱:Plc虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng)可編程序控制器(PLC)作為實現(xiàn)工業(yè)自動化的三大支柱之一,已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用,它從繼電器的更新?lián)Q代產(chǎn)品已發(fā)展成為工業(yè)自動化的理想控制工具,在我國工業(yè)企業(yè)的技術(shù)進步,傳統(tǒng)企業(yè)的技術(shù)改造等方面起著重要的作用,它的推廣應(yīng)用對企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益具有重要意義。隨著PLC技術(shù)推廣應(yīng)用,迫切需要大批從事PLC應(yīng)用技術(shù)人才和設(shè)備維修人員進行技術(shù)培訓(xùn)。而目前我國從事PLC教學(xué)的教師和PLC實驗設(shè)備嚴(yán)重不足,不能滿足技術(shù)進步和PLC技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展需要,嚴(yán)重影響了PLC技術(shù)應(yīng)用的質(zhì)量和水平,制約了生產(chǎn)力水平的發(fā)展。
目前從工科大專院校到中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,在職技術(shù)人員的培訓(xùn)和專業(yè)技能等級考核,都增加了PLC技術(shù)的內(nèi)容,每年參加PLC學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的人員超過100萬人次。但從PLC實驗設(shè)備情況看存在以下不足1、PLC實驗設(shè)備較貴,裝備一個PLC實驗室少則幾十萬,多則幾百萬元,一般學(xué)校無力購買,不能普及使用。
2、每種PLC實驗設(shè)備只能針對某一PLC生產(chǎn)廠家的PLC進行培訓(xùn),不能滿足多種機型的培訓(xùn)要求。
3、PLC技術(shù)本身發(fā)展較快,一般3-5年就推出一代新型產(chǎn)品,學(xué)校的教學(xué)設(shè)備無法及時更換,以適應(yīng)PLC技術(shù)發(fā)展的需要。
4、近兩年來,隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)教育,遠程教學(xué)得到廣泛應(yīng)用。但在網(wǎng)絡(luò)教育中的實驗室問題一直是制約遠程教育發(fā)展的重大國際難題。由于實驗設(shè)備條件和指導(dǎo)教師的不足使遠程教學(xué),特別是工程專業(yè)遠程教學(xué)的發(fā)展受到很大限制。
本發(fā)明的目的在于提供一種可克服上述不足,采用計算機仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)相結(jié)合的PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),是由計算機硬件接口和微機軟件兩部分組成,硬件接口是由微機接口卡和實驗操作控制箱構(gòu)成,微機接口卡插于計算機PCI擴展槽內(nèi),微機接口卡還通過50芯扁平線與帶有操作顯示板的實驗操作控制箱相連接,其特征在于還設(shè)有軟件系統(tǒng),軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)主控模塊;源程序編輯、編譯與文件管理模塊;PLC仿真模塊;PLC運行狀態(tài)監(jiān)控模塊;實驗?zāi)P头抡婺K;指令幫助模塊;I/O接口模塊組成,在系統(tǒng)主控模塊的控制下運行其它模塊。
本發(fā)明具有以下特點1、低成本;該項目可完成常用PLC(如日本OMRON的C系列,三菱F系列)的各項實驗任務(wù),可取代PLC學(xué)習(xí)機,而價格只相當(dāng)于其中某一型號PLC學(xué)習(xí)機的30%。
2、實驗效果優(yōu)于現(xiàn)有PLC學(xué)習(xí)機,該項目能代替多種PLC廠家的PLC學(xué)習(xí)機,具有豐富的被控對象模型,并具有狀態(tài)顯示,錯誤提示等多種實驗幫助和輔助教學(xué)功能。
3、能完成網(wǎng)絡(luò)教育,遠程教學(xué)功能,滿足個性化、彈性化的教學(xué)要求。
下面結(jié)合附圖給出具體實施例,進一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的。
圖1是微機接口卡電路原理2是接口部分結(jié)構(gòu)框3、圖4是實驗操作控制箱的電路原理5是實驗操作控制箱顯示板結(jié)構(gòu)6是軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖其中1是系統(tǒng)主控模塊2是源程序編輯、編譯模塊3是虛擬PLC模塊4是狀態(tài)監(jiān)控模塊5是虛擬被控對象模塊6是多媒體教學(xué)幫助模塊7是I/O接口模塊圖7是數(shù)據(jù)流向圖其中8是編輯9是編譯10是虛擬PLC仿真11是I/O接口12是數(shù)據(jù)區(qū)13是狀態(tài)監(jiān)控14是虛擬實驗?zāi)P蛨D8是系統(tǒng)主控模塊流程9是源程序編輯、編譯與文件管理模塊流程10是PLC仿真模塊流程11是PLC運行狀態(tài)監(jiān)控模塊流程12是實驗?zāi)P头抡婺K流程13是液體混合模型流程圖本發(fā)明是一種PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),是由計算機硬件接口和微機軟件兩部分組成,硬件接口是由微機接口卡和實驗操作控制箱構(gòu)成,微機接口卡插于計算機PCI擴展槽內(nèi),微機接口卡還通過50芯扁平線與帶有操作顯示板的實驗室操作控制箱相連接。如圖6所示還設(shè)有軟件系統(tǒng),軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)主控模塊1;源程序編輯、編譯與文件管理模塊2;PLC仿真模塊3;PLC運行狀態(tài)監(jiān)控模塊4;實驗?zāi)P头抡婺K5;指令幫助模塊6;I/O接口模塊組成7,在系統(tǒng)主控模塊1的控制下運行其它模塊。
如圖1所示,微機接口卡包括一片74LS244,一片74LS245,一片74LS688,一片GAL IC,兩片8255,一個8位的開關(guān),以及它們的連線;74LS245為三態(tài)雙向緩沖器,作為PC數(shù)據(jù)總線和8255之間的緩沖器,并提高了帶負(fù)載能力;74LS244為三態(tài)單項緩沖器,用PC的信號控制74LS245的方向和兩片8255的工作方式;GAL芯片作為74LS244的補充,控制74LS245和兩片8255的片選;74LS688為8位等值比較器,同8位開關(guān)配合,作為接口卡的地址選擇;8255是并行接口芯片;一片作為輸出,一片作為輸入,各提供24點;微機接口卡一端插在PC機的擴展槽中,一端通過50芯扁平線同實驗操作控制箱相連。
如圖2所示,實驗操作控制箱是由4個輸出顯示模塊和4個輸入選擇模塊構(gòu)成,其中A1-A4為輸出顯示模塊,A1、A2是00CH通道,A3、A4是01CH通道;每個模塊顯示4位,結(jié)構(gòu)相同;如圖3所示顯示方式分為發(fā)光管和數(shù)碼管兩種同時輸出,數(shù)碼管可顯示四位十六進制輸出控制數(shù)據(jù);信號1-4來自扁平線插槽,1經(jīng)7404反向器輸出信號5,再經(jīng)一次7404反向輸出信號9,兩次反向是為了提高帶負(fù)載的能力;信號9通過10K的碳膜電阻變成信號10,接于發(fā)光管的陰極,發(fā)光管的陽極同電源VCC相連;信號2經(jīng)7404反向器輸出信號6,再經(jīng)一次7404反向輸出信號11,兩次反向是為了提高帶負(fù)載的能力;信號11通過10K的碳膜電阻變成信號12,接于發(fā)光管的陰極,發(fā)光管的陽極同電源VCC相連;信號3經(jīng)7404反向器輸出信號7,再經(jīng)一次7404反向輸出信號13,兩次反向是為了提高帶負(fù)載的能力;信號13通過10K的碳膜電阻變成信號14,接于發(fā)光管的陰極,發(fā)光管的陽極同電源VCC相連;信號4經(jīng)7404反向器輸出信號7,再經(jīng)一次7404反向輸出信號15,兩次反向是為了提高帶負(fù)載的能力;信號15通過10K的碳膜電阻變成信號16,接于發(fā)光管的陰極,發(fā)光管的陽極同電源VCC相連;信號1同時接到COMS譯碼管MC14995的A端,信號2接到MC14995的B端,信號3接到C,信號4接到D;MC14995的CR和VCC分別接到地GND和電源VCC;MC14995的輸出a,b,c,d,e,f,g,h接到共陰極數(shù)碼管的輸入端;如圖2所示B1-B4為輸入選擇模塊,B1、B2是00CH通道,B3、B4是01CH通道;每個模塊4位輸入,結(jié)構(gòu)相同;如圖4所示輸入方式分為撥碼器和開關(guān)兩種輸入方式;信號1-4來自扁平線插槽,信號1經(jīng)7404反向器輸出信號5,再經(jīng)一次7404反向輸出信號9,兩次反向是為了提高帶負(fù)載的能力;信號9通過10K的碳膜電阻變成信號10,接于發(fā)光管的陰極,發(fā)光管的陽極同電源VCC相連;信號2經(jīng)7404反向器輸出信號6,再經(jīng)一次7404反向輸出信號11,兩次反向是為了提高帶負(fù)載的能力;信號11通過10K的碳膜電阻變成信號12,接于發(fā)光管的陰極,發(fā)光管的陽極同電源VCC相連;信號3經(jīng)7404反向器輸出信號7,再經(jīng)一次7404反向輸出信號13,兩次反向是為了提高帶負(fù)載的能力;信號13通過10K的碳膜電阻變成信號14,接于發(fā)光管的陰極,發(fā)光管的陽極同電源VCC相連;信號4經(jīng)7404反向器輸出信號7,再經(jīng)一次7404反向輸出信號15,兩次反向是為了提高帶負(fù)載的能力;信號15通過10K的碳膜電阻變成信號16,接于發(fā)光管的陰極,發(fā)光管的陽極同電源VCC相連;信號1同時通過二極管得到信號17,聯(lián)于開關(guān)S1,開關(guān)S1的另一端為信號25;信號2同時通過二極管得到信號18,聯(lián)于開關(guān)S2,開關(guān)S2的另一端為信號25;信號3同時通過二極管得到信號19,聯(lián)于開關(guān)S3,開關(guān)S3的另一端為信號25;信號4同時通過二極管得到信號20,聯(lián)于開關(guān)S4,開關(guān)S4的另一端為信號25;信號1同時通過二極管得到信號21,信號2同時通過二極管得到信號22,信號3同時通過二極管得到信號23,信號4同時通過二極管得到信號24;
信號21、22、23、24同撥碼器相連,根據(jù)撥碼器的輸入得到相應(yīng)的點位;信號25和撥碼器的信號26共同由撥動開關(guān)S5決定是否接到地,相應(yīng)的產(chǎn)生輸入方式的選擇;如圖5所示,實驗操作控制箱面板是由輸出00CH通道的數(shù)碼管輸出、輸入00CH通道的撥碼器輸入、電源開關(guān)、00CH通道的輸入方式選擇開關(guān)、輸出01CH通道發(fā)光管顯示、輸出00CH通道發(fā)光管顯示、輸入00CH通道開關(guān)輸入、輸入00CH通道開關(guān)輸入共同構(gòu)成;其中輸出00CH通道有兩種顯示方式分別為數(shù)碼管顯示和發(fā)光管顯示,并同時顯示通道的內(nèi)容;輸出01CH通道只有發(fā)光管顯示一種顯示方式;輸入00CH通道有兩種輸入方式分別為撥碼器輸入和開關(guān)輸入,由方式選擇開關(guān)控制,可選擇任一種輸入方式;輸入01CH通道只有開關(guān)輸入一種輸入方式。
如圖7所示為數(shù)據(jù)流向圖,其中編輯8、編譯9、PLC仿真10依次串接到數(shù)據(jù)區(qū)12,I/O接口11、狀態(tài)監(jiān)控13分別與數(shù)據(jù)區(qū)12相接,數(shù)據(jù)區(qū)12輸出至實驗?zāi)P?4。
如圖8系統(tǒng)主控模塊是協(xié)調(diào)各子模塊之間工作順序和控制程序的流程,它的工作步驟(1)啟動整個系統(tǒng),選擇PLC機型;(2)根據(jù)用戶的操作請求決定調(diào)用編輯模塊還是調(diào)用多媒體模塊進行多媒體教學(xué);(3)若選擇編輯,進入編輯狀態(tài);(4)對編輯完畢的程序進行編譯,若出錯返回上一步,否則繼續(xù)下一步;(5)調(diào)用實驗?zāi)P头抡婺K進行仿真、監(jiān)控等;(6)結(jié)束。
如圖9所示編輯模塊提供用戶輸入PLC源程序的環(huán)境,進行復(fù)制、剪切和粘貼、讀取并保存任意的文本文件,方便用戶對源程序的管理。
編譯部分主要功能是將用戶的PLC源程序轉(zhuǎn)換成"PLC仿真系統(tǒng)所能識別的代碼"是整個PLC仿真的與用戶的接口,是整個系統(tǒng)的開端。工作步驟(1)第一部分對代碼進行規(guī)范,主要實現(xiàn)a、將用戶源代碼中的地址信息去除。
b、將多余空格去掉,是每個代碼之間用一個空格分隔。
c、將所有字母由小寫轉(zhuǎn)換為大寫。
d、將屬于一個命令的內(nèi)容歸整到一個物理行。
e、將規(guī)范的結(jié)果寫入一個新的規(guī)范文件中。
(2)第二部分主要進行語法和語義分析a、讀取每行語句,檢查源程序當(dāng)中的語法錯誤b、語義分析,將源代碼轉(zhuǎn)換成程序所需的目標(biāo)代碼。
如圖10所示PLC仿真模塊是用內(nèi)嵌匯編語言,把PLC的一條條指令仿真成一個個函數(shù),每個函數(shù)都把仿真結(jié)果寫出到數(shù)據(jù)區(qū)里去,從而實現(xiàn)PLC仿真,其工作步驟(1)保護現(xiàn)場,把現(xiàn)場的環(huán)境保存起來(2)從函數(shù)的參數(shù)里獲得操作數(shù)
(3)根據(jù)操作數(shù)的內(nèi)容去數(shù)據(jù)區(qū)是讀取相應(yīng)的內(nèi)容(4)根據(jù)指令功能進行PLC仿真(5)恢復(fù)現(xiàn)場環(huán)境(6)結(jié)束如圖11所示PLC運行狀態(tài)監(jiān)控模塊是監(jiān)視操作程序的執(zhí)行狀態(tài),并且在必要時不直接修改PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)值,為實驗程序的調(diào)試和檢查提供方便。其工作步驟為(1)初始化,保存當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容。
(2)用戶輸入需要監(jiān)控的通道和繼電器。
(3)不斷讀取數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容,若發(fā)現(xiàn)有變化則刷新當(dāng)前屏幕上的監(jiān)控值,并且保存當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容。
(4)結(jié)束。
如圖12所示實驗室模型仿真模塊是根據(jù)用戶的程序控制實驗?zāi)P?,并用動畫顯示出來,工作步驟為(1)初始化一些通道和特殊繼電器(2)I/O端口分配,把實驗需要控制的對象和PLC的輸入/輸出端對應(yīng)起來。
(3)啟動定時器作定時循環(huán),每隔一定時間調(diào)用PLC仿真模塊和顯示動畫。
(4)調(diào)用PLC仿真模塊進行PLC仿真的結(jié)果反應(yīng)在數(shù)據(jù)區(qū)里。
(5)讀取2分配好I/O端口的通道位/值,然后根據(jù)它們的值顯示相應(yīng)的動畫。
(6)顯示實驗?zāi)P偷膭赢嫛?br>
(7)把實驗?zāi)P偷慕Y(jié)果寫到相應(yīng)的通道中。
程序是否滿足控制要求,若滿足跳至4繼續(xù)仿真,不滿足則提示信息并停止仿真。
如圖13所示是虛擬被控對象的例子,為液體混合模型,具體工作步驟為(1)初始化特殊繼電器R1808-R1907的值。
(2)分配Y1、Y2、L1、L2、L3、T、HOT、motor、Y4的通道。
(3)根據(jù)Y1、Y2、L1、L2、L3、T、HOT、motor、Y4通斷顯示相應(yīng)的動畫,并根據(jù)動畫結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的通道值如L1通把L1置為“通”。
(4)判斷實驗?zāi)P褪欠癯鲥e,如液面超出范圍、溫度過高等出錯,提示錯誤信息,并停止實驗。
多媒體教學(xué)幫助模塊利用多媒體互動式方式進行PLC課程的教學(xué)講解每一條指令的功能和用途,以及一些PLC編程技巧等,能夠解答學(xué)生的各種疑難問題,真正實現(xiàn)虛擬數(shù)字實驗室的功能。該系統(tǒng)在提示幫助方面作了最大限度的工作,為使用者進行了最體貼的設(shè)計。無論是從軟件菜單的使用,還是PLC程序的編輯、修改,都會得到系統(tǒng)及時充分的提示幫助。在編程時,不僅可以找到每條指令的功能、應(yīng)用文字說明以及簡例,而且系統(tǒng)還會對你所編寫的程序中的任何錯誤進行提示,并給出修改意見。
I/O接口模塊它是硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的接口,提供PLC虛擬數(shù)字實驗室操作控制電路輸入/輸出信號和軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的連接。將輸入信號讀入虛擬PLC模塊,再將PLC仿真的執(zhí)行結(jié)果送到實驗操作電路進行輸出。
權(quán)利要求
1.一種PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),是由計算機硬件接口和微機軟件兩部分組成,硬件接口是由微機接口卡和實驗操作控制箱構(gòu)成,微機接口卡插于計算機PCI擴展槽內(nèi),微機接口卡還通過50芯扁平線與帶有操作顯示板的實驗操作控制箱相連接,其特征在于還設(shè)有軟件系統(tǒng),軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)主控模塊;源程序編輯、編譯與文件管理模塊;PLC仿真模塊;PLC運行狀態(tài)監(jiān)控模塊;實驗?zāi)P头抡婺K;指令幫助模塊;I/O接口模塊組成,在系統(tǒng)主控模塊的控制下運行其它模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),其特征在于所述的系統(tǒng)主控模塊是協(xié)調(diào)各子模塊之間工作順序和控制程序的流程,它的工作步驟(1)啟動整個系統(tǒng),選擇PLC機型;(2)根據(jù)用戶的操作請求決定調(diào)用編輯模塊還是調(diào)用多媒體模塊進行多媒體教學(xué);(3)若選擇編輯,進入編輯狀態(tài);(4)對編輯完畢的程序進行編譯,若出錯返回上一步,否則繼續(xù)下一步;(5)調(diào)用實驗?zāi)P头抡婺K進行仿真、監(jiān)控等;(6)結(jié)束;
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),其特征在于編輯部分提供用戶輸入PLC源程序的環(huán)境,進行復(fù)制、剪切和粘貼、讀取并保存任意的文本文件,方便用戶對源程序的管理;編譯部分主要功能是將用戶的PLC源程序轉(zhuǎn)換成"PLC仿真系統(tǒng)所能識別的代碼"是整個PLC仿真與用戶的接口,是整個系統(tǒng)的開端;工作步驟(1)第一部分對代碼進行規(guī)范,主要實現(xiàn)a、將用戶源代碼中的地址信息去除b、將多余空格去掉,使每個代碼之間用一個空格分隔c、將所有字母由小寫轉(zhuǎn)換為大寫d、將屬于一個命令的內(nèi)容歸整到一個物理行e、將規(guī)范的結(jié)果寫入一個新的規(guī)范文件中(2)第二部分主要進行語法和語義分析a、讀取每行語句,檢查源程序當(dāng)中的語法錯誤b、語義分析,將源代碼轉(zhuǎn)換成程序所需的目標(biāo)代碼
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),其特征在于PLC仿真模塊是用內(nèi)嵌匯編語言,把PLC的一條條指令仿真成一個個函數(shù),每個函數(shù)都把仿真結(jié)果寫到數(shù)據(jù)區(qū)里去,從而實現(xiàn)PLC仿真,其工作步驟(1)保護現(xiàn)場,把現(xiàn)場的環(huán)境保存起來(2)從函數(shù)的參數(shù)里獲得操作數(shù)(3)根據(jù)操作數(shù)的內(nèi)容去數(shù)據(jù)區(qū)是讀取相應(yīng)的內(nèi)容(4)根據(jù)指令功能進行PLC仿真(5)恢復(fù)現(xiàn)場環(huán)境(6)結(jié)束
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),其特征在于所述的PLC運行狀態(tài)監(jiān)控模塊是監(jiān)視操作程序的執(zhí)行狀態(tài),并且在必要時不直接修改PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)值,為實驗程序的調(diào)試和檢查提供方便;其工作步驟為(1)初始化,保存當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容(2)用戶輸入需要監(jiān)控的通道和繼電器(3)不斷讀取數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容,若發(fā)現(xiàn)有變化則刷新當(dāng)前屏幕上的監(jiān)控值,并且保存當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容(4)結(jié)束
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),其特征在于所述的實驗室模型仿真模塊是根據(jù)用戶的程序控制實驗?zāi)P?,并用動畫顯示出來,工作步驟為(1)初始化一些通道和特殊繼電器(2)I/O端口分配,把實驗需要控制的對象和PLC的輸入/輸出端對應(yīng)起來(3)啟動定時器作定時循環(huán),每隔一定時間調(diào)用PLC仿真模塊和顯示動畫(4)調(diào)用PLC仿真模塊進行PLC仿真的結(jié)果反應(yīng)在數(shù)據(jù)區(qū)里(5)讀取(2)分配好I/O端口的通道位/值,然后根據(jù)它們的值顯示相應(yīng)的動畫(6)顯示實驗?zāi)P偷膭赢?7)把實驗?zāi)P偷慕Y(jié)果寫到相應(yīng)的通道中程序是否滿足控制要求,若滿足跳至(4)繼續(xù)仿真,不滿足則提示信息并停止仿真。
全文摘要
PLC虛擬數(shù)字實驗室系統(tǒng),是將微機接口卡插于計算機擴展槽內(nèi),微機接口卡還通過50芯扁平線與實驗室操作控制箱相連;其軟件系統(tǒng)是由主控模塊,源程序編輯、編譯與文件管理模塊,PLC仿真模塊,PLC運行狀態(tài)監(jiān)控模塊,實驗?zāi)P头抡婺K,指令幫助模塊,I/O接口模塊組成,在系統(tǒng)主控模塊的控制下運行其它模塊。本發(fā)明成本低,可完成常用的PLC的各項實驗任務(wù),具有豐富的被控對象模型,并具有狀態(tài)顯示,能完成網(wǎng)絡(luò)教育和遠程教育。
文檔編號G06F17/00GK1299093SQ0013687
公開日2001年6月13日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者崔世鋼 申請人:崔世鋼