（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仿真的plc模拟实验系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文在分析国内p l c 实验教学中存在的问题的基础上，结合计算机多媒体 教学技术和仿真技术，提出了种新的p l c 实验教学手段- p l c 模拟实验教 学，并对其基本框架和具体实现作出了研究，主要工作如下： 1 分析了国内p l c 实验教学的不足，提出了将计算机技术应用到p l c 教 学实验中，建立孔c 模拟演示系统的构想。 2 在对系统的基本功能要求进行分析的基础上，建立系统的整体框架如下： 模拟演示部分通过对虚拟元器件不同组合来获得不同的实验对象，并采用电脑 动画的形式来对p l c 控制对象动作进行模拟；为了达到利用实物进行实验所能 达到的锻炼学生实际操作能力的教学效果，系统采用转接板技术来实现虚拟元 件的电气连接。最后将系统划分为三大模块：模拟演示及管理模块、转接板模 块和通信模块。 3 对转接板模块的软硬件实现进行了研究，硬件部分包括通信电路和系统 扩展接口电路，读写p l c 端口电路的设计；软件包括整个系统的软件设计，以 及读写p l c 端口的软件设计。 4 系统的通信模块的设计，主要包括系统网络结构的选择和上下位机之间 的通信协议。对协议的实现方法进行了重点论述。 5 基于v b 的模拟演示及管理模块的设计，分两个章节分别论述了零件库 子模块、预习子模块、实验库管理子模块、模拟演示子模块和通信子模块的设 计，根据系统使用要求建立了系统数据库，对数据库的数据结构进行了讲述。 6 以机械手为例介绍了系统的具体应用。 关键字：实验教学p l c 计算机仿真技术数据库通信执议通信总线 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) p a s s e sb yt 0b ec l o s et o3 0y e a r so f d e v e l o p m e n t ，h a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h r e em a j o ro fp i l l a r so ft h ei n d u s t r yc o n t r o l r e a l m c o m p a r e dw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t h ep l ca p p l i c a t i o ni no u rc o r n t r y ，t h e d o m e s t i cp l ct e a c h i n gc a nn o ty e tk e e pu dw i t ht h ed e m a n do ft h em a r k e lt h i s m a i n l yi sb e c a u s et h e r ei st h el i m i t a t i o ni nt h et e a c h i n go fp l cv i z 1 a b o r a t o r y c o n s t r u c t i o n b a s e do na n a l y z i n gt h ee x i s t e n tp r o b l e m s c u r r e n t l yi n t h ep l c l a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o na n dc o m b i n e dw i t ht h ec o m p u t e rm u l t im e d i at e a c h i n g t e c h n i q u ea n dc o m p u t e re m u l a t i o nt e c h n i q u e ，ak i n do fn e we x p e r i m e n tt e a c h i n g m e a n s ，t h ep l ce m u l a t i o ne x p e r i m e n tt e a c h i n g ，i sp u tf o r w a r d ，a n di t si m p l e m e n ti s s t u d i e d t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 ，t 0a n a l y z et h es h o r t a g eo ft h ed o m e s t i cp l cl a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o n a n dp u t f o r w a r da p p l y i n gt h ec o m p u t e rt e c h n i q u et ot h ep l ct e a c h i n ge x p e r i m e n ta n d e s t a b l i s h i n gt h ep l c i m i t a t i o nd e m os y s t e m 2 t h ew h o l ef i m c t i o no ft h ep l ci m i t a t i o nd e m os y s t e mi se x p a t i a t e d m a i n l y i n c l u d i n gt h e s em o d u l e s ，s u c h 船t h ee m u l a t i o nd e m o t h em a n a g e m e n t ，t 1 1 ep i n b e a r d a n dt h ec o r r e s p o n d e n c e b a s e do nt h i s ，t h ee m u l a t i o nd e m om o d u l ea n dt h e m a n a g e m e n tm o d u l ea n dt h ep i n b o a r dm o d u l ea r e f u r t h e rd i v i d e di n t ot os o n m o d u l e s 3 a sf a ra st h ep l co ft h em i t s u b i s h if 磁- - 3 2 m rs e r i e s t h ed e s i g no ft h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h ep i n b o a r dm o d u l ei sr e s e a r c h e d ，a n di nt h eh a r d w a r ep a r t i n c l u d i n gt h ec o r r e s p o n d e n c ee l e c t r i c c i r c u i ta n dt h es y s t e m se x p a n d i n gi n t e r f a c e e l e c t r i cc i r c u i ta n dt h er e a d i n ga n dw r i t i n gp l cp o r te l e c t r i cc i r c u i t ，a n d i nt h e s o f t w a r ep a r ti n c l u d i n gt h ep r o g r a md e s i g no ft h ew h o l es y s t e m ，a n dt h ep r o g r a m d e s i g no f r e a da n dw r i t et h ep o r to f p l c 4 a f t e rs t u d y i n gt h ed e s i g no f t h ec o r r e s p o n d e n c em o d u l eo f t h es y s t e m ，m a i n l y i n c l u d i n gt h ec h o i c eo ft h es y s t e mn e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e n t o pm a c h i n ea n db o t t o mm a c h i n e 。t h ep r o t o c o li m p l e m e n tm e t h o di s d i s c u s s e da t l e n g t h 5 t h ed e s i g no ft h ei m i t a t i o nd e m oa n dm a n a g e m e n tm o d u l ei ss t u d i e dd e 印l y ， m a i n l yi n c l u d i n gt h e s em o d u l e s ，s u c ha s ：t h ep a r i sd a t a b a s e , t h ep r e p a r a t i o n ，t h e e x p e r i m e n tm a n a g e m e n td a t a b a s e , t h ei m i t a t i o nd e m oa n dt h ec o r r e s p o n d e n c e ，a n d t h ed a t a b a s es y s t e mi sb u i l tu p 6 t 0t a k et h em a c h i n eh a n da sac o n c r e t ea p p l i c a t i o nt oi n 仃o d u c et h es y s t e m k e y w o r d s ：e x p e r i m e n tt e a c h i n g p l c c o m p u t e re m u l a t i o nt e c h n i q u e d a t a b a s ec o m m u n i c a t i o np m t o c o lc o m m t m i c a t i o nb u s h 独创性声明 y7 7 0 2 7 2 本人声明所呈交的学位沦文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料a 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学雠文储虢仇舻签字嗍 口厂年了月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 堂姿盘堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权堂至三盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：僻 签字蹴痧年乡日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 f 咆葛o ， 签字日期： d r 年；月g 日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】本章对当前p l c 实验教学中存在的问题进行了分析，并在此基础上提出了在 p l c 实验教学中引入计算祝多媒体仿真技术的思想。分析了开发p l c 模拟实验系统的可能 性和必要性，最终给出了本课题准备完成的主要研究工作。 1 。1 引言 实验因其直观性、实践性、科研性及综合性等独特条件，在高校的整个教学 体系中占有十分重要的地位。它比课堂理论讲授更接近学生和实际，更容易启发 和培养学生的创新思维及实践能力。实验是一种知识与能力、理论与实践相结合 的活动，是一种全方位提高学生素质的重要教学环节，其目的不仅在于验证理论 或加深对理论的理解，更重要的是培养学生的创新能力和应用理论知识分析解决 实际问题的能力【l j 【”。 近年来，实验在高等教育中的重要作用已取得共识，各高校都在积极地的进 行实验室的建设。例如，“2 1 1 工程”、世界银行贷款项目都将重点放在了实验基 地的建设上。另外，各高校都在进行实验方法和手段上的改革，尤其是近年来随 着计算机技术的不断发展，将计算机技术与教学实验相结合建立c a i ( c o m p u t e r - a i d e di n s t r u c t i o n ) 实验室已经越来越被大家所采用【3 】。这些都为拓宽 实验内容，提高实验的质量，为学生进行实验活动创造了条件。 不同的实验由于教学目的不同，所采用的实验方式也有所差异。一类教学实 验是以参数的获取作为主要目的，学生在实验中观测实验现象，获取必要的数据， 然后总结规律，从而最终达到锻炼学生的动手能力和思维能力的目的。例如物理、 化学，机械原理实验等。而在另一类教学实验中，教师会让学生运用课堂上所讲 述的内容，并在实验室中模拟该知识使用环境，完成既定的任务，这样做的目的 是希望加强学生对某种技能的掌握。这一类型的实验包括计算机上级实验、单片 机实验等。在本文中将要讲述的p l c 教学实验也是属于这一类型。 1 2 可编程控制器的发展与应用 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) ，是一种数字运 算操作的电子系统，是在2 0 世纪6 0 年代束面向工业环境由美国科学家首先研制 成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、 计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统 浙江大学硕士学位论文 形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。虽然p l c 自产生至今只有3 0 多年 的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一【4 】。 目前，p l c 已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽 车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。随着p l c 性能价格比的不 断提高，一些过去使用专用计算机的场合，也转向使用p l c 。p l c 的应用范围 在不断扩大，其可归纳为如下几个方面【5 【”。 ( 1 ) 开关量的逻辑控制这是p l c 最基本最广泛的应用领域。p l c 取代继 电器控制系统，实现逻辑控制。例如：机床电气控制，冲床、铸造机械、运输带、 包装机械的控制，注塑机的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金企业 的高炉上料系统、轧机、连铸机的控制，电镀生产线、啤酒灌装生产线、汽车配 装线、电视机和收音机的生产线控制等。 ( 2 ) 运动控制p l c 可用于对直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开 关量i o 模块连接位置传感器与执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。 世界上各主要p l c 厂家生产的p l c 几乎都有运动控制功能。p l c 的运动控制功 能广泛地用于各种机械。例如：金属切削机床、金属成型机械、配装机械、机器 人和电梯等。 ( 3 ) 数据处理现代的p l c 具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、 位操作等功能，n - - 以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储 器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。 数据处理一般用在大、中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统等。 ( 4 ) 机器入控制祝器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为 未来工业生产自动化的3 大支校之一。现在许多机器人制造公司，选用p l c 作 为机器人控制器来控制各种机械动作。随着p l c 体积进一步缩小，功能进一步 增强，p l c 在机器人控制中的应用必将更加普遍。 ( 5 ) 通讯联网p l c 的通讯包括p l c 之间的通讯、p l c 与上位计算机和其 他智能设备之间的通讯。p l c 和计算机具有接口，用双绞线、圊轴电缆或光缆将 其联成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控 制系统。 综上所述：p l c 控制技术将成为今后工业自动化的主要手段之一。在未来的 - v 、l l , 生产中，p l c 技术和机器人以及c a d c a m 技术将并列成为实现工业生产 自动化的三大支柱。 1 3 目前p l c 实验教学中存在的问题 鉴于p l c 这种新型工业控制装置在工业应用中的重要性和广泛性，各高等 浙江大学硕士学饪论文 院校越来越开始熏视p l c 方面的教学。 p l c 是一- i q 专业性与实践性都很强的课程，实验教学在p l c 教学中具有举 足轻重的作用，教师在授课的同时必须配合理论课的进程，适时安排实验，以便 及时地把理论知识转化为看得见、摸得着的控制过程。而实验教学就离不开实验 室的建设，实验室建设的好坏直接影响着一个学校教学质量。因此各高校在p l c 实验室建设方面都投入了大量的时间和精力，但是由于各个学校教育资源存在差 异，因此在实验教学手段上也有所不同，综合起来大概有以下几种1 7 】【8 】【9 】： ( 1 ) 仅仅以p l c 来进行实验教学，而没有控制对象，学生用编程器对p l c 进行编程之后，通过观察输出口的状态来确定程序的运行情况。在这类教学方式 中，学生往往只能进行验证性实验，没有条件进行外围设备的连接和控制。 ( 2 ) 建立简易的实验室，这种实验教学方式比较常用，学校一般根据 实际的教学情况，精选一些教学实验，然后由学校的老师自己搭建简易实验台， 对一些比较常用的控制对象进行控制，如交通灯，电机等。这类教学方式虽然让 学生有机会接触控制对象，但是由于实验设备简单而导致实验内容单一，实验效 果并不理想 ( 3 ) 购买专门的综合实验台，建立多功能实验室。这类综合实验台专门为 p l c 教学实验所开发，控制对象丰富，实验内容也多种多样，教学效果也比较理 想。但是这一类教学方式也有不少的缺点：首先是p l c 实验设备昂贵，现在市 面上有很多厂家专门开发p l c 综合实验台，但是这些设备都非常昂贵，装备一 个p l c 实验室少则几十万，多则成百万。一般的中小型学校根本无力承担。其 次是每一种p l c 实验设备只能对相应生产厂家的p l c 进行实验教学，远远不能 满足市面上众多品牌的p l c 的培训要求。最后，p l c 技术发展很快，一般3 到 5 年就会推出一代新的产品，而学校的教学设备却不能及时的更新，以适应p l c 发展的新需求，导致教学质量下降 从以上的分析中我们可以看出p l c 实验教学已经成了该项教学的瓶颈，严 重影响了我国当前p l c 教学的质量，从而进一步影响到了p l c 应用技术在我国 的普及和推广，制约了我国生产力水平的发展。因此，急需提出一种新的实验手 段来克服以上的几点不足，解决p l c 教学中出现的问题。 1 4 本课题所研究的内容 采用实物装置进行实验教学具有其他任何手段无法替代的优越性，但由于教 学成本、实验教学过程所要求的可选择性等各方面的原因，大范围地开展基于实 物的实验教学存在多方面的限制。为了解决p l c 实验教学中所需的操作性强和 进行实物实验困难较大的矛盾，本文提出了结合计算机多媒体仿真技术进行p l c 浙江大学硕士学位论文 实验教学的思路并对其可行性进行了研究。 多媒体计算机辅助教学( m c a i ) 是将图、文、声、像、动画等不同形式的 媒体、媒介通过计算机技术处理，成为一个合理的有机体，实现人机友好交互， 促进教与学的过程。它以个别化教学、形象生动和动态模拟的特点得到广泛的认 可。将多媒体技术与p l c 实验教学相结合至少存在以下优越性【l l 】： ( 1 ) 灵活性强学生只需对虚拟元件进行必要的组合就可以获得不同的实 验对象，完成大部分p l c 实验，而且只需配备不同的转接板就可以对不同的p l c 进行仿真演示。 ( 2 ) 成本低因为整个实验的演示和管理都是在个人电脑上进行，以虚拟 元器件的不同组合来代替各种控制对象，所以成本远远低于利用实物进行教学实 验。 ( 3 ) 可以实现教学与实验有机结合学生不仅可以利用该系统来进行p l c 实验，教师以可以利用该系统来进行课堂教学和实验演示。 本课题对利用计算机多媒体仿真技术来建立p l c 模拟实验系统的可行性进 行了研究，主要工作如下： ( 1 ) p l c 模拟实验教学系统的技术功能分析和总体方案设计讨论和分析 了p l c 实验教学的特点，对本系统的基本功能要求和可行性进行了分析，并在 此基础提出了本系统的总体设计方案。同时对整个系统进行了功能模块划分，这 一部分的内容将在第二章做具体描述 ( 2 ) 基于m c s 一5 1 的转接模块的软硬件设计这一部分工作的主要内容是 搭建p l c 与p c 机之间的转接模块，该模块的功能是读写p l c 昀端口并与p c 机进行通讯，对该模块的软硬件的详细设计分析主要在第三章进行论述 ( 3 ) 基于v b 的实验模拟演示及实验管理模块设计这一部分是本课题的 研究重点，该模块的主要功能是对p l c 的端口信息进行动画模拟，以达到实验 教学的效果，同时还对实验进行管理。这部分的工作主要在第五章和第六章进行 论述 ( 4 ) 模块之间的通信软件的设计这部分主要工作内容是讲述上下位机之 间的通信实现，主要论述了通信协议的问题，详细内容在第四章进行论述 ( 5 ) 仿真实验教学系统的应用示例这部分主要以机械手实验为例对本系 统的应用进行了讲述，这部分内容将在本论文的第七章进行论述 4 浙江大学硕士学位论文 1 5 小结 本章对国内p l c 教学现状进行了分析，得出目前p l c 实验教学中存在以下 一些问题： 实验手法简单，没有控制对象。 有控制对象，但是设备简陋，实验内容单一， 利用综合实验台教学效果良好，但是设备昂贵，只能对单一p l c 进行教 学，且设备不易更新换代，跟不上市场需求 为了克服以上不足，本文提出了利用计算机模拟仿真技术建立p l c 模拟实 验系统宅构想，圊时给出了本课题的主要研究内容： p l c 仿真实验教学系统的技术功能分析和总体方案设计 基于m c s 一5 1 的转接模块的软硬件设计 基于v b 实验模拟演示及实验管理模块设计 模块之间的通信软件的设计 仿真实验教学系统的应用示例 浙江大学硕士学位论文 第二章系统的总体方案设计 【摘要】本章对p l c 模拟实验系统的总体方案设计进行了论述。初步将系统划分为： 实验模拟演示及管理模块，转接板模块和通信模块，同时分析了各模块的基本功能要求。 2 1 引言 如前所述，p l c 模拟实验系统是根据具体的实验对象，利用预建的虚拟零件 库进行选择组装，最终利用动画再现p l c 控制系统运行状况的一种仿真实验系 统。作为对物理实体实验的部分替代和补充，在设诗过程中应注意以下几点： ( 1 ) 尽可能高的对实体实验的模拟度作为一种以培养实际操作能力的模 拟实验系统，只有具有较高的真实模拟性才能起到其应有的作用。 ( 2 ) 较高的灵活性和柔性如系统应能模拟多种p l c 教学实验；应具有相 对完善、具有可扩展的零件库以便于用户使用；应能在演示平台上对有关零件进 行自由组合等等。 ( 3 ) 很高的正确性和可靠性实验系统的目的是通过模拟演示判断p l c 实 验程序的正确性，作为判断依据，系统必须具有很高的正确性和可靠性，否则将 引起对实验结果的误判。 ( 4 ) 易操作性作为一个教学系统，操作简单和操作界面友好是其能锝到广 泛认可的重要保证。 ( 5 ) 具有一定的可扩展性应预留可供用户和开发人员进行功能扩震的接 口，同时系统要便于维护。 2 2 系统的总体框架设计和功能模块分解 p l c 模拟实验系统所提供的是一种实验环境。在这一环境中，p c 机和可编 程控制器作为主要的硬件设备起着信息处理和展示的功能，而使它们实现上述功 能的软件以及实现两者之间联系的软件和辅助硬件装置则是使这一实验环境发 挥其应用作用的重要保证。 为保证系统的功能和可靠性要求，在系统设计时必须对各功能模块进行合理 的划分，同时确定各模块之间的相互联系。根据模块划分中应遵循的内聚度高、 藕合度低、功能尽可能单一等基本原则【1 2 】，并结合本系统的功能要求，我们对系 统的总体框架进行了构建( 见图2 1 ) 。 如图所示，系统分为模拟实验演示及管理模块、转接板系统模块及通信模块 等三大模块。其中，实验管理和模拟演示在计算机( p c ) 上进行，该模块通过 6 浙江大学硕士学位论文 r s 2 3 2 总线与转接板模块进行数据交换，而后者则作为一个桥梁构建了p c 机和 可编程控制器之间的相互联系。实现各模块间数据交换功能的软件部分就是所谓 的通信模块。 p 删l 图2 1系统总体框图 2 2 1 模拟演示及管理模块 模拟演示及管理模块的主要功能是实现模拟过程的展示、实验管理和一些计 算机辅助教学工作a 为实现上述功能要求，我们给出了模拟演示及管理模块的总 体框架( 见图2 2 ) ，它由零件库子模块、实验库管理子模块、实验演示子模块、 实验预习子模块、通信予模块等构成。 图2 2 模拟演示及管理模块总体框架图 7 浙江大学硕士学位论文 l 、实验库管理子模块 实验库管理子模块的功能所完成的工作就是对模拟实验的管理，建立学生 实验档案，以便学生可以随时查询自己的实验成绩，同时老师也可以对每个学生 的实验情况进行查询，掌握学生的学习情况。该模块还有一个功能就是对学生可 以对自己的实验进行存档，必要时可以随时提取存档实验进行模拟实验。教师也 可以根据需要搭建几个演示实验，供教学演示使用。 2 、零件库子模块 零件库子模块是整个模拟实验教学系统的基础。在传统的教学实验中。我 们总是根据实验的内容选择不同的实验器材，比如交通灯，机械手等，而在模拟 实验教学系统中是以模拟实验元器件的形式来完成上述功能的。系统先根据现实 中的元器件特性建立模拟元器件库，学生在做实验时，根据需要从零件库中选取 所需零件进行实验的搭建工作。该零件库应该是开放式零件库，就是说用户可以 根据使用情况对零件库中的模拟元器件进行添加、删除和编辑，这样系统就更就 有灵活性 3 、实验演示子模块 实验演示予模块是实验管理及演示模块的核心子模块，也是整个模拟实验系 统的重要组成部分。学生将在这个子模块当中进行模拟实验台的搭建，并对零件 进行属性定义和模拟p l c 端口线路连接。整个模拟过程的动厕演示也在这个子 模块之中进行，学生在搭建好实验台，编写好p l c 程序之后开始动画模拟演示， 学生将根据动画的运行情况来对自己的p l c 程序进行检测并进行修改，直到p l c 程序运行正确为止，从而达到与用实物进行教学同样的目的。 4 、通信子模块 通信子模块完成的是实验管理及演示模块和转接板模块之间的数据交换功 能。在进行动画模拟运行时，管理及演示模块将x 的状态传送给转接模块，转 接模块将p l c 的y 端口状态反馈给管理及演示模块。 5 、实验预习子模块 学生在进行实际实验之前要进行理论知识的预习。实验教学的根本目的还是 增强学生对所学的理论只是的理解，因此学生在进行某项p l c 实验之前必须对 相关的理论知识有一定的了解，这样在做实验时才能将理论知识和实践相结合， 做到有的放矢。实验预习子模块为此建立了相应的习题库，学生在进入实际实验 操作之间先进行理论知识检测。合格之后才能进入实际操作。该子模块也是开放 式模块，教师可以根据需要建立自己的习题库。 上述子模块工作过程产生的结果性数据和实验构建所需的原始数据均保存 在系统数据库内，由数据库管理系统统一管理。 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 转接板模块 转接板模块是演示及管理模块与p l c 进行数据交换的桥梁。如图2 1 所示： 转接板模块接收来自上位机( 演示模块) 的数据，对p l c 的x 端口进行写操作； 同时读取y 端口的数据，传送给上位机。作为一个数据转接的模块，它应该具 有如下功能： ( 1 ) 能够对p l c 的端口进行读写操作。在现实的操作中，p l c 的端口都是 连接不同的控制元器件，而在模拟实验系统中，只是对模拟元器件定义了不同的 端1 2 1 ，作为转接板模块应该能够把在模拟演示中产生的端1 2 1 信息转换成实际的模 拟信号量，以驱动p l c 的x 端口；对于y 端口产生的开关信号量能进行读操作， ( 2 ) 能够进行功能扩展。在硬件设计上面应该预留扩展口，以便根据实验 内容的需要进行系统扩展，这时上位机可以有选择的与下位机通信，这样就可以 对不同的p l c 上的程序进行模拟演示。 图2 3 转接板模块总体框架图 根据模块功能分析，可以得出如图2 4 的框架图。系统由五个子模块：通信 子模块，数据处理子模块，写p l c 子模块，读p l c 子模块和扩展口组成，转按 板的具体功能设计见第3 章。 2 2 3 通信模块 通信模块由模拟演示及管理模块和转接板模块中的通信子模块组成。所完成 的功能是上位机( 模拟演示及管理模块) 与下位机( 转接板模块) 之间的数据交 换。 对于通信模块，首先应确定通信方式和通信协议。从节约i o 口出发，本系 统将采用串行通信方式。 9 拟示管横； | | 瓣熊块 | | 浙江大学硕士学位论文 r s l 2 3 2 标准是美国电子工业协会( e i a ) 在1 9 6 9 年颁布的一种推荐标准， 是按位串行通信的总线，可以同步和异步两种通信方式下使用，所传送的数据类 型和帧长均不受限制。r s 2 3 2 总线的应用非常广泛，近年来已经在各种各样的短 距离数据通信中发挥极好的作用，例如计算机和终端，计算机和打印机等。r s 2 3 2 数据传输距离最短可以是几十厘米，最长可以达到几千米。由于p l c 模拟实验 系统一般是在实验室中进行使用，数据传输的距离并不算远，而且使用环境也比 较干净，没有太大的干扰。因此选用r s 2 3 2 总线作为本系统的通信总线完全能 满足系统的使用要求l ”j 。 在一般情况下，模拟实验系统是一对一的通信方式，在这种情况下，模拟实 验系统只对一台p l c 中的程序进行模拟演示，整个通信框架如图2 5 所示： 但是系统的应用还存在这样一种情况：以一台p c 机为主机，下面连接多台 p l c ，学生有选择的对某台p l c 中的程序进行模拟演示，这就是系统的一对多 应用模式。在这种模式下，上位机、下位机、p l c 和通信总线构成了一个通信网 络。为了方便系统的应用和系统的扩展，我们必须为系统选择一种合适的网络结 构。比较常用的网络结构有星型网络结构、环形网络结构和总线型网络结构 i “】【14 】【搭】1 1 6 】。其中总线型网络拓扑结构如下图所示： 图2 4 总线型网络拓扑结构 总线型网络结构特点是：传输介质是一条总线，工作站通过相应硬件接口接 至总线上。一个站发送数据，所有其它站都能接收。总线拓扑的传输介质称作多 点式或广播式。其拓扑机构如上图所示，因为所有的节点共享一条传输连路，一 次只能允许一个站发送信息，需要某种存取控制方式来确定下一个可以发送的 站。总线型拓扑布线具有方便，工作站接入简单，可靠性高等特点，因此在通信 网络设计中得到广泛应用。 在本系统的一对多的通信模式中，我们需要当上位机在发送数据的时候，所 有的下位机都能接受到来自上位机的信息，所有下位机的运作都在上位机的控制 下运行，正是根据这一使用特点，我们决定采用总线型网络作为系统网络结构。 图2 6 就是根据总线型网络的拓扑结构所设计的一对多通信模块：扩展模块的通 信口与上一模块的扩展口相连接既可完成扩展。至于可以扩展多少转接板模块， 则和系统所选择的通信总线有关。 在通信协议方面，考虑到系统功能的复杂程度较低，本文采用自定义协议的 1 0 浙江大学硕士学位论文 方式。有关协议见第4 章。 x 端l 通 通l 卜 1 信 r s 2 32 总拽 恬1 于l 模 模l 1 块块l y 辅l 卜_ 图2 5 系统一对一通信模式 2 2 4 实验流程 图2 6 系统一对多通信模式 整个系统的实验流程如图2 7 所示，进入系统之后，系统会进行身份识别。 根据不同的身份给予不同的操作权限。教师身份要经过密码确认，通过确认之后 以教师的身份进入模拟实验系统，教师可以根据实际的使用要求对零件库和习题 库进行编辑修改，也可以对所有的学生的实验情况进行查询，还可以建立演示实 验，实验的建立过程如虚线框中所示，和学生建立实验的流程相同。 学生由实验管理子模块进入模拟演示子模块，在这个子模块当中搭建模拟实 验平台，所需元器件从零件库子模块中进行选择，实验台搭建完毕后开始进行模 拟实验，实验中不断的通过通信子模块与p l c 进行数据交流。实验预习子模块 浙江大学硕士学位论文 一一 独立于上述操作，学生在进入实验之前可以先进行理论知识的检测。 图2 7 实验管理及演示模块操作流程图 学生以学生的身份进入系统，以学生的身份进入系统是要输入学号、专业、 实验名称等相关信息。系统会建立个人实验档案，学生可以对自己的所做的实验 情况进行查询。学生进入模拟实验系统以后。可以新建p l c 实验，也可以从自 己的实验档案中调取以前的存档实验，也可以调取老师建立的演示实验。在建立 新的p l c 的实验的同时要进行相关的理论知识的检测，以便教师对学生的知识 掌握程度有更清楚的了解。 新实验建立以后，进入演示子模块进行实验台的搭建，主要的工作是从零件 库中选取零件，进行零件的组装和属性定义，搭建完毕之后对p l c 进行编程， 编程完毕之后进行模拟演示，如果演示的动作与预期一致则实验结束，如果不一 致则对p l c 程序进行修改直到一致为止。 2 3 小结 本章首先分析了可编程控锘4 器模拟实验系统的使用特点和性能需求，得出系 统的整体框架，然后在此基础上对整个系统进行了模块划分，将整个系统划分为 浙江大学硕士学位论文 以下三大模块： 模拟演示及管理模块：完成对系统的管理和对p l c 程序的动画模拟 转接板模块：主要实现虚拟元器件的电气连接，读写p l c 端口功能 通信模块：完成上位机( 模拟演示及管理模块) 与下位机( 转接板模块) 的数据通信 在模块划分的基础上，确定了每个子模块的相关功能和系统使用的大致流程 图。 浙江大学硕士学位论文 第三章基于m c s 5 1 的转接板模块软硬件设计 【摘要】本章对系统转接板模块软硬件的设计问题进行了讨论。介绍了转接板模块通信 接口电路，p l c 端口的读写电路及扩展口电路的设计，同时介绍了模块相关软件设计。 3 1 引言 如前所述，转接板模块的主要功能是将从r s 2 3 2 总线获取的，来自上位机 演示子模块的状态数据，经过相应的软硬件处理，变成p l c 能够识别的信号写 入x 端口：同时，周期性地读取p l c 的y 端口信号反馈给上位机，以使模拟系 统做出相应的动作。下面将对转接板模块的硬件和软件设计进行分析。 3 2 转接板模块的硬件框架 转接板的硬件设计主要包括数字模拟信号转换部分和通信部分。 1 、数字膜拟信号转换部分现实中，p l c 的端口所连接的是不同的控制元 器件，而在模拟实验系统中，只是对模拟元器件定义了不同的端口，作为转接板 模块应该能够把在模拟演示中产生的端口信息转换成实际的模拟信号量，以驱动 p l c 的x 端口：同时又要正确读取y 端口所产生的开关信号量，将其转换为模 拟演示能够接受的数字信号： 2 、通信部分主要是与p c 机的通信以及与扩展模块联接设计。 转接板 k 性静 习f船 c o m h r x 端 耻 p 2 i m c u 岖噼 口 l jl j p l c 一 l 扩展转i r s! ! 划扩展1 p i 1 黼俑吨路汴 引 接黔f 笄 1 插槽 图3 1 转接板模块硬件框架图 图3 1 所示为转接板模块的硬件框架图。系统采用单片机作为主控制单元。 1 4 浙江大学硕士学位论文 在上位机向p l c 发布数据时，来自上位机的信号经过r s 2 3 2 总线传送给下位机 ( 转接板) ，转接板中的电平转换电路将r s 2 3 2 电平转换为t t l 电乎，经串口读 入到m c u 中；m c u 通过命令解释系统对上位机数据进行必要的处理，经有i o 口输出到数据锁存芯片中，供p l c 使用。在p l c 端设置电气隔离，一方面起到 噪声隔离作用，另一方面保证p l c 的接口要求。当上位机从p l c 读取端口数据 时，p l c 的y 端通过专门的信号处理电路进入m c u ，并经m c u 处理后由r s 2 3 2 总线送至上位机。扩展插槽主要用于系统的扩展( 一对多方式) ，8 位拨码开关 用于系统扩展时下位机地址选择，一台p c 机最多可同时挂接2 5 6 台下位机( 转 接板模块) 。 作为转接板模块中进行数据处理和通信的核。1 5 , 部件，微控制器类型的选择是 必须考虑的问题。目前常用的单片机以8 位和1 6 位机为主【1 9 【2 0 1 ，考虑到本模块 所需完成的只是一些简单的数据信号处理和的1 2 1 的读写，因此选择a r m e l 公司 的8 9 c 5 1 作为本模块的m c u 1 8 。 3 3 通信接口电路设计 通信接口电路设计包括与p c 机的通信电路和与扩展模块问的数据接口。在 微型计算机系统中，总线是信息传输的通道，在转接板模块中采用r s 2 3 2 总线， 并选用比较经济的三线式 1 3 ：r x d 、t x d 和信号地，连线方式如图3 2 所示 ，、 r x d 、 上位机 l 接口 t x d 接口 卅 卜 下位机 厂 电路 g n d 电路n 3 。2 三线经济型接线方式 由于r r l 电平与r s 2 3 2 电平不同，在进行系统设计的时需进行电平转换。 目前市面上有很多专用的电平转换芯片，较常用的有1 4 8 8 1 4 8 9 、m a x 2 3 2 等， 本系统采用了m a x 2 3 2 芯片。m a x 2 3 2 为+ 5 v 单电源供电，具有两个驱动电路 和接收电路，可以同时进行两路转换。由于采用了l i n b i c m o s 工艺，所以可靠 性高、功耗低【2 1 1 。 需要说明的是：由于转换后的r s 2 3 2 总线可能要接到多个实验设备，所以 转接板的发送线( 转换为r s 2 3 2 电平后) 必须经二极管隔离后才能接入到r s 2 3 2 总线上。图3 5 描述的是m a x 2 3 2 的引脚功能和典型的接线方式。本系统所用的 电平转换电路如图3 6 所示【矧。 浙江大学硕士学位论文 在如图所示的转接板系统电平转换电路图中，m a x 2 3 2 与r s 2 3 2 总线连接 处；h h t 一对二极管，是为了保护m a x 2 3 2 芯片，预留的扩展插槽是为了方便系 统的扩展，这时，系统工作在一对多的工作模式，拓扑机构如图2 4 所示。 1 i t f 1u f s v i i s 2 3 2 总线 图3 3m a 】【2 3 2 芯片引脚分布圈 圈3 4l i i b 2 1 1 3 2 电平转换电路 3 4p l c 端i = i 读写接口电路设计 转接板模块的核心功能是完成对p l c 的端口读写操作。在p l c 端口读写接 口电路设计时应考虑的主要问题有输入输出点数的确定和接口电路与p l c 输入 输出端口的电气特性的匹配问题。p l c 的品牌和型号较多，每个p l c 的i o 口 的具体结构也不尽相同，本系统选用三菱公司生产的f x 2 3 2 m r 可编程控制器 作为实验对象进行转接板模块的读写接口电路设计。 f x 2 - - 3 2 m r 是继电器输出方式，输入输出点数为1 6 1 6 ，基本上能完成一 1 6 浙江大学硕士学位论文 般的实验教学要求。如需采用具有较多i o 口的p l c 作为实验对象，由于转换 板模块本身具有可扩展性，可以采用增加扩展模块的方式加以实现。 3 4 1f x 2 3 2 m r 系列p l c 的输入输出口结构 1 、输入端口结构m 刮 f x 2 系列的输入端分为共漏极和共源极两种，但是f x 2 - - 3 2 m r 都是采用的 共漏极，电路特性如图3 6 所示。 p l c 输入端以流过电流的大小确定端口的o n o f f 。为确保不发生误判， o n 时电流应大于4 5 m a ；o f f 时电流应小于1 5 m a 。在这里，输入电路的1 次 电路与2 次电路用光耦隔离，2 次电路设有r c 滤波器，这是为了防止输入触电 的颤动等误操作所设计的。因此从o n - - o f f ，o f f - - o n 变化时约有1 0 m s 的响 应滞后。 输入 信号 图3 5 漏型p l c 输入端口电路图 2 、输出端口结构【2 3 】 三菱f x 2 的输出有三种形式：继电器输出、s s r 输出和晶体管输出。f x 2 - - 3 2 m r 输出类型是继电器输出，其输出端口内部电路如图3 7 所示。 图3 6 输出端口结构图 如图所示：f x 2 - - 3 2 m r 的1 6 个输出端口分为四组，每组具有独立的公共点， 各组的公共点之间有电气隔离。同一组的端口必须使用相同的电压，不同组端口 的电压则可以不同。 浙江大学硕士学位论文 3 4 2p l c 输入端口接口电路设计 f x 2 - - 3 2 m r 有1 6 个输入端口。在实际的工作过程中，各端口的o n o f f 状态可以是并存的，所以从m c u 输出的信号必须具有锁存功能。有多种方