发表于：2008/12/18 9:44:00
#0楼
摘要：本文介绍PLC气动教学实验平台的硬件组成结构，给出了系统的软件设计方法。
关键词：可编程控制器，上位计算机，通讯
Abstract: This paper introduces the basic components of PLC Pneumatic Teaching Experiment Test-bed. At the same time, software design methods are given.
Key words: PLC, Personal Computer, Communication
1. 前言
随着信息技术和控制技术的不断发展，使得传统的实验教学手段不断的发生着变化，为了让学生能够充分了解并掌握当今先进的计算机技术及控制技术，我们开发了这套上位机控制的气动实验教学系统。它是充分集成了气动技术、PLC技术、计算机技术和控制技术的综合实验教学平台，对增强学生的实验兴趣，加强学生对实验的理解以及提高学生的动手能力有一定的益处。
2. 气动教学实验台的基本要求
本套上位机控制的气动教学实验台主要的目的是为了增强学生对各种新技术的了解并掌握相关的技能，因此系统都必须具备以下的基本功能：
(1) 可靠性高：即保证学生可以充分利用并控制实验台，使实验台能够响应学生的每一个操作，并且顺利完成任务，不会出现实验台意外停止的情况。
(2) 实时性好：即使实验台可以及时的接收并响应学生输入的命令，并将反馈信息在有限的网络带宽的情况下快速的传送到客户端，做到系统延时小。
(3) 具有可操作性：指学生可以通过上位计算机控制实验台的运动，例如实验台的启动、停止等操作，并可以编写PLC的梯形图程序来控制气缸的运动顺序及运动状态，达到锻炼实验者综合实验能力的目的。
(4) 具有自诊断性：由于学生做实验时对系统并不是很了解，因此有可能出现一些误操作，这种情况下，就需要系统自动检测到问题的
存在并及时的通知给学生，以增加系统的安
全性。
3. 教学实验台的硬件设计
系统的硬件主要由两大部分组成。一
部分是实验台部分，一部分是控制器即上
位机部分。实验台部分主要由一个金属结
构的实验平台、一台型号为 —32MR
的三菱可编程控制器、一个水平气缸（型
号为MYC25—300L—E73AL）、两个垂直
气缸（型号为ADVUL—63—50—PA）、
一个夹爪气缸、六个行程开关、滤清器、 图1
调压阀、油雾器、若干两位三通阀、气管、控制按钮、显示灯以及相关辅助设备组成。实验台系统的外形如图1所示。气缸以及控制面板位于实验台的正面，各种阀体等控制部件位于实验台的背面。行程开关分别装在三个气缸的运动极限位置，用于检测气缸的运动位置。水平气缸可以带着夹爪气缸左右移动，两侧的垂直气缸可以上下往复运动。上位机采用的是一台具有两个串口的处理器为Intel pentium4的个人计算机。之所以采用较高的配置是为了提高系统的实时性和增加系统的稳定性。实验台上PLC的编程口通过一根专用的编程电缆与计算机的COM1口相连，PLC的通讯口通过串口线与上位机的COM2口相连。
地址 输入信号 地址 输出信号
X 010 启动 Y001 中间汽缸左移动
X 011 停止 Y002 中间汽缸右移动
X 012 复位 Y003 左汽缸上移
X 013 选择开关（常开） Y004 左汽缸下移
X 014 急停（常闭） Y005 右汽缸上移
X 001 中间汽缸左限位 Y006 右汽缸下移
X 002 中间汽缸右限位 Y010 夹爪张开
X 003 左汽缸上限位 Y011 夹爪闭和
X004 左汽缸下限位 Y012 启动灯
X005 右汽缸上限位 Y013 停止灯
X006 右汽缸下限位 Y014 复位灯
X015 选择开关（常闭） Y015 急停灯
学生所要完成的实验要求就是通过编写上位机PLC梯形图程序，并将编写好的下载到PLC之后，再通过上位机控制程序控制气缸的运动。气缸的具体运动要求直接决定了PLC梯形图程序的难易程度，因此教师要根据学生不同的情况具体安排。其中PLC的I／O接口与控制面板上的接口一一对应。因此学生可以任意分配PLC的I／O接口与控制气缸的阀体相连接。但是为了实验者的人身安全，这里将PLC的I／O接口与阀体的控制端固定连接，学生只能按此要求 表1
编写PLC程序，通过上位机控制实验台运动，而不能够用手去接触实验台。对实验台的一切控制，包括编写PLC梯形图程序和控制实验台气缸的运动都是通过上位机来实现的。这样就大大的提高了系统的安全性。具体的I／O接口分配如表1所示。
4. 教学实验台的软件设计
教学实验台的软件系统主要是指控制实验台运动的上位机控制程序。这里利用VB编制了控制软件，并使用串口控件来实现计算机与PLC的串口通讯。在此程序中，主要有两大部分组成，一部分是实验台操作控制子程序，一部分是实验台检测子程序。其中实验台操作控制子程序主要是模拟PLC气动实验台控制面板的功能，包括键盘锁定控制、气缸的启动、停止、急停、复位控制以及PLC的强制运行状态的控制等。实验台检测子程序的主要功能就是监视并检测PLC气动实验台运动是否正常。
4.1 上位机与PLC通讯的原理（以三菱可编程控制器 系列为例）
信号 代码 描述
STX 02H 文本起点
ETX 03H 文本终点
EOT 04H 传送结束
ENQ 05H 询问
ACK 06H 确认
NAK 15H 不确认
在利用外部设备与可编程控制器之间进行通讯前，必须首先规定一些参数，如数据长度，奇偶校验、停止位以及波特率等，即通讯格式。通讯格式是通过一个四位的16进制数而设定，这里设定为H6880，其含义是数据长度为7位，终结符为7位，奇偶校验为无，控制线为RS232接口，停止位为1位，和校验为自动添加，波特率为9600BPS，协议为专用协议，标题无，传输控制协议为协议格式1。通讯格式是在PLC中首先将其设置好的。其中协议格式的通讯格式依次规定了控制代码、站号、PC号、命令、消息等待以及和校验代码 表2
等。其中控制代码是格式中的第一个字符,不同的代码有不同的含义,如表2所示。站号即可编程控制器提供的数字，用来确定计算机在访问哪一个可编程控制器。在FX系列可编程控制器中，站号是通过特殊寄存器D8121来设定的。设定范围是从00H到0FH。本实验台中由于上位机只和一个PLC气动实验台通信，所以站号为00H。PC号是A系列MELSECNET（II）或MELSECNET/B上用来确定可编程控制器CPU的数字。FX系列的PC号为FFH，由两位ASCII字符来代表，即“FF”。命令用来指定要求的操作（如读，写），在此控制软件中所使用的向PLC发送的主要指令有：批量读出位元件BR指令；批量写入位元件BW指令；强制PLC运行（RUN）RR指令；强制PLC停止（STOP）RS指令。消息等待是一段计算机要求的延迟时间，以实现在发送和接受状态间的转换。和校验代码用来确定消息中的数据没有受到破坏。它是通过加上和校验区域中的ASCII字符的16进制值计算得到的。
上位机和PLC在遵循相同的通讯格式和通讯协议下便可以进行通讯了。其通讯的基本过程是：先由上位机控制软件向PLC发出一条指令，随即控制软件进入等待状态，准备接收PLC的回应信息，在收到反馈信息后进行解读并判断通讯是否正确；如果判定反馈信息正确，就解读其反馈信息，在获得了所需的信息以后，即完成该次通讯过程，并准备进入下一个通讯过程；反之，如果判定反馈信息不正确，则进行相应的错误处理，如向PLC重发指令等等。
4.2 上位机与PLC通讯的实现
上位机控制程序在按照PLC专用通讯协议制定完通讯语句后，通过计算机的串口向PLC发送信息。在控制程序中是利用串口控件Mscomm的一系列方法和属性来实现对串口的操作。Mscomm控件的属性设置主要有：
（1）CommPort：设置并返回通信口号，缺省值为COM1。这里设置为COM2口。（因为COM1口已经被PLC的编程电缆线占用）
（2）Settings：设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位的字符串。这里设置为9600，n，7，1。
（3）PortOpen：设置并返回通信口的状态，同时用来打开和关闭通信口。
（4）InputLen：决定每次Input读入的字符个数，缺省为0，表示读取接收缓冲区的全部内容。
（5）Input：读入并清除接收缓冲区的字符。
（6）InBufferCount：返回接收缓冲区已接收的字符数，通过置0可清除接收缓冲区。
（7）Output：将发送的字符串或数组写到发送缓冲区。
在实验台操作控制子程序中，由于程序各个子模块的代码基本类似，因此这里仅以控制面板上的停止按钮为例进行说明。其关键部分的代码如下：
（1）MSComm1.PortOpen = True
（2）MSComm1.Output = Chr(5) & "00FFBW0X001101161"
（3）Do While MSComm1.InBufferCount < 3
（4） Do Events
（5）Loop
（6）MSComm1.PortOpen = False
其中第一句代码作用为打开通讯口，第二句的作用是按照通讯协议1，执行BW指令，将PLC的X0011位置1（其中控制代码为Chr(5)，站号为00，PC号为FF，命令为批量写入位元件，消息等待为0，和校验代码为61），即相当于按以下控制面板上的停止按钮。第三、四、五句的作用为延时等待，当接收缓冲区中的字符数达到一定的值时，在运行下一句代码。第六句的作用是关闭通讯口。
在实验台检测子程序中，主要是调用一个Timer控件，它的时间间隔设置为4秒，即每隔4秒种自动执行一次。其代码的作用是首先检测气缸是否运动，如果还没有运动，则程序停止检测，如果气缸已经开始运行，则分别依次判断气缸往复运动的时间，如果时间间隔太小，则气缸容易发热，从而产生不良的后果，因此程序将及时的通知用户停止程序的运行或向PLC梯形图中添加延时代码。
系统软件部分的整体
流程图如图2所示。控制
软件首先检查控制面板上
的键盘是否锁定，如果已
经锁定，则程序无法运行，
必须解锁键盘；如果没有
锁定，则可以继续运行。
下一步，控制软件要检查
PLC是否已经进入强制运
行状态，当PLC为强制停
止状态时，PLC的通讯口
是不可以使用的，这时只
能经过PLC的编程口上
传或下载程序，实验者应
在此时编写PLC程序或将
已经编写好的PLC梯形图 图2
程序从上位机下载到PLC中。而当PLC为强制运行状态时，PLC的编程口是不可以使用的，这时只能经过PLC的通讯口对PLC进行实时的控制。如果学生已经向PLC中写入了一定的程序，那么下面的一步就是启动实验台。当实验台启动后，系统会自动检查实验台运行是否正常。如果一切正常，则可以进行其他的操作，如果系统运行有问题，则客户端软件会提示用户重新编写PLC梯形图程序，并告诉实验者问题出现可能的原因和解决办法，直到用户更改程序并使系统运行正常时为止。
5．结束语
此教学实验系统已经成功应用在实际教学当中。实践证明系统具有较高的可靠性、实时性和安全性，对于学生了解和掌握计算机技术、气动技术以及PLC技术都有一定的帮助作用。虽然可编程逻辑控制器在工业领域的应用已经非常广泛，但在教育届的应用却还不是很多，因此本实验教学系统具有一定的实用和推广价值。
［参考文献］
[1] 三菱公司，《三菱微型可编程控制器编程手册》，三菱公司,2000
[2] 张树兵，戴红 等 《Visual Basic 6.0入门与提高》清华大学出版社，2000
关键词：可编程控制器，上位计算机，通讯
Abstract: This paper introduces the basic components of PLC Pneumatic Teaching Experiment Test-bed. At the same time, software design methods are given.
Key words: PLC, Personal Computer, Communication
1. 前言
随着信息技术和控制技术的不断发展，使得传统的实验教学手段不断的发生着变化，为了让学生能够充分了解并掌握当今先进的计算机技术及控制技术，我们开发了这套上位机控制的气动实验教学系统。它是充分集成了气动技术、PLC技术、计算机技术和控制技术的综合实验教学平台，对增强学生的实验兴趣，加强学生对实验的理解以及提高学生的动手能力有一定的益处。
2. 气动教学实验台的基本要求
本套上位机控制的气动教学实验台主要的目的是为了增强学生对各种新技术的了解并掌握相关的技能，因此系统都必须具备以下的基本功能：
(1) 可靠性高：即保证学生可以充分利用并控制实验台，使实验台能够响应学生的每一个操作，并且顺利完成任务，不会出现实验台意外停止的情况。
(2) 实时性好：即使实验台可以及时的接收并响应学生输入的命令，并将反馈信息在有限的网络带宽的情况下快速的传送到客户端，做到系统延时小。
(3) 具有可操作性：指学生可以通过上位计算机控制实验台的运动，例如实验台的启动、停止等操作，并可以编写PLC的梯形图程序来控制气缸的运动顺序及运动状态，达到锻炼实验者综合实验能力的目的。
(4) 具有自诊断性：由于学生做实验时对系统并不是很了解，因此有可能出现一些误操作，这种情况下，就需要系统自动检测到问题的
存在并及时的通知给学生，以增加系统的安
全性。
3. 教学实验台的硬件设计
系统的硬件主要由两大部分组成。一
部分是实验台部分，一部分是控制器即上
位机部分。实验台部分主要由一个金属结
构的实验平台、一台型号为 —32MR
的三菱可编程控制器、一个水平气缸（型
号为MYC25—300L—E73AL）、两个垂直
气缸（型号为ADVUL—63—50—PA）、
一个夹爪气缸、六个行程开关、滤清器、 图1
调压阀、油雾器、若干两位三通阀、气管、控制按钮、显示灯以及相关辅助设备组成。实验台系统的外形如图1所示。气缸以及控制面板位于实验台的正面，各种阀体等控制部件位于实验台的背面。行程开关分别装在三个气缸的运动极限位置，用于检测气缸的运动位置。水平气缸可以带着夹爪气缸左右移动，两侧的垂直气缸可以上下往复运动。上位机采用的是一台具有两个串口的处理器为Intel pentium4的个人计算机。之所以采用较高的配置是为了提高系统的实时性和增加系统的稳定性。实验台上PLC的编程口通过一根专用的编程电缆与计算机的COM1口相连，PLC的通讯口通过串口线与上位机的COM2口相连。
地址 输入信号 地址 输出信号
X 010 启动 Y001 中间汽缸左移动
X 011 停止 Y002 中间汽缸右移动
X 012 复位 Y003 左汽缸上移
X 013 选择开关（常开） Y004 左汽缸下移
X 014 急停（常闭） Y005 右汽缸上移
X 001 中间汽缸左限位 Y006 右汽缸下移
X 002 中间汽缸右限位 Y010 夹爪张开
X 003 左汽缸上限位 Y011 夹爪闭和
X004 左汽缸下限位 Y012 启动灯
X005 右汽缸上限位 Y013 停止灯
X006 右汽缸下限位 Y014 复位灯
X015 选择开关（常闭） Y015 急停灯
学生所要完成的实验要求就是通过编写上位机PLC梯形图程序，并将编写好的下载到PLC之后，再通过上位机控制程序控制气缸的运动。气缸的具体运动要求直接决定了PLC梯形图程序的难易程度，因此教师要根据学生不同的情况具体安排。其中PLC的I／O接口与控制面板上的接口一一对应。因此学生可以任意分配PLC的I／O接口与控制气缸的阀体相连接。但是为了实验者的人身安全，这里将PLC的I／O接口与阀体的控制端固定连接，学生只能按此要求 表1
编写PLC程序，通过上位机控制实验台运动，而不能够用手去接触实验台。对实验台的一切控制，包括编写PLC梯形图程序和控制实验台气缸的运动都是通过上位机来实现的。这样就大大的提高了系统的安全性。具体的I／O接口分配如表1所示。
4. 教学实验台的软件设计
教学实验台的软件系统主要是指控制实验台运动的上位机控制程序。这里利用VB编制了控制软件，并使用串口控件来实现计算机与PLC的串口通讯。在此程序中，主要有两大部分组成，一部分是实验台操作控制子程序，一部分是实验台检测子程序。其中实验台操作控制子程序主要是模拟PLC气动实验台控制面板的功能，包括键盘锁定控制、气缸的启动、停止、急停、复位控制以及PLC的强制运行状态的控制等。实验台检测子程序的主要功能就是监视并检测PLC气动实验台运动是否正常。
4.1 上位机与PLC通讯的原理（以三菱可编程控制器 系列为例）
信号 代码 描述
STX 02H 文本起点
ETX 03H 文本终点
EOT 04H 传送结束
ENQ 05H 询问
ACK 06H 确认
NAK 15H 不确认
在利用外部设备与可编程控制器之间进行通讯前，必须首先规定一些参数，如数据长度，奇偶校验、停止位以及波特率等，即通讯格式。通讯格式是通过一个四位的16进制数而设定，这里设定为H6880，其含义是数据长度为7位，终结符为7位，奇偶校验为无，控制线为RS232接口，停止位为1位，和校验为自动添加，波特率为9600BPS，协议为专用协议，标题无，传输控制协议为协议格式1。通讯格式是在PLC中首先将其设置好的。其中协议格式的通讯格式依次规定了控制代码、站号、PC号、命令、消息等待以及和校验代码 表2
等。其中控制代码是格式中的第一个字符,不同的代码有不同的含义,如表2所示。站号即可编程控制器提供的数字，用来确定计算机在访问哪一个可编程控制器。在FX系列可编程控制器中，站号是通过特殊寄存器D8121来设定的。设定范围是从00H到0FH。本实验台中由于上位机只和一个PLC气动实验台通信，所以站号为00H。PC号是A系列MELSECNET（II）或MELSECNET/B上用来确定可编程控制器CPU的数字。FX系列的PC号为FFH，由两位ASCII字符来代表，即“FF”。命令用来指定要求的操作（如读，写），在此控制软件中所使用的向PLC发送的主要指令有：批量读出位元件BR指令；批量写入位元件BW指令；强制PLC运行（RUN）RR指令；强制PLC停止（STOP）RS指令。消息等待是一段计算机要求的延迟时间，以实现在发送和接受状态间的转换。和校验代码用来确定消息中的数据没有受到破坏。它是通过加上和校验区域中的ASCII字符的16进制值计算得到的。
上位机和PLC在遵循相同的通讯格式和通讯协议下便可以进行通讯了。其通讯的基本过程是：先由上位机控制软件向PLC发出一条指令，随即控制软件进入等待状态，准备接收PLC的回应信息，在收到反馈信息后进行解读并判断通讯是否正确；如果判定反馈信息正确，就解读其反馈信息，在获得了所需的信息以后，即完成该次通讯过程，并准备进入下一个通讯过程；反之，如果判定反馈信息不正确，则进行相应的错误处理，如向PLC重发指令等等。
4.2 上位机与PLC通讯的实现
上位机控制程序在按照PLC专用通讯协议制定完通讯语句后，通过计算机的串口向PLC发送信息。在控制程序中是利用串口控件Mscomm的一系列方法和属性来实现对串口的操作。Mscomm控件的属性设置主要有：
（1）CommPort：设置并返回通信口号，缺省值为COM1。这里设置为COM2口。（因为COM1口已经被PLC的编程电缆线占用）
（2）Settings：设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位的字符串。这里设置为9600，n，7，1。
（3）PortOpen：设置并返回通信口的状态，同时用来打开和关闭通信口。
（4）InputLen：决定每次Input读入的字符个数，缺省为0，表示读取接收缓冲区的全部内容。
（5）Input：读入并清除接收缓冲区的字符。
（6）InBufferCount：返回接收缓冲区已接收的字符数，通过置0可清除接收缓冲区。
（7）Output：将发送的字符串或数组写到发送缓冲区。
在实验台操作控制子程序中，由于程序各个子模块的代码基本类似，因此这里仅以控制面板上的停止按钮为例进行说明。其关键部分的代码如下：
（1）MSComm1.PortOpen = True
（2）MSComm1.Output = Chr(5) & "00FFBW0X001101161"
（3）Do While MSComm1.InBufferCount < 3
（4） Do Events
（5）Loop
（6）MSComm1.PortOpen = False
其中第一句代码作用为打开通讯口，第二句的作用是按照通讯协议1，执行BW指令，将PLC的X0011位置1（其中控制代码为Chr(5)，站号为00，PC号为FF，命令为批量写入位元件，消息等待为0，和校验代码为61），即相当于按以下控制面板上的停止按钮。第三、四、五句的作用为延时等待，当接收缓冲区中的字符数达到一定的值时，在运行下一句代码。第六句的作用是关闭通讯口。
在实验台检测子程序中，主要是调用一个Timer控件，它的时间间隔设置为4秒，即每隔4秒种自动执行一次。其代码的作用是首先检测气缸是否运动，如果还没有运动，则程序停止检测，如果气缸已经开始运行，则分别依次判断气缸往复运动的时间，如果时间间隔太小，则气缸容易发热，从而产生不良的后果，因此程序将及时的通知用户停止程序的运行或向PLC梯形图中添加延时代码。
系统软件部分的整体
流程图如图2所示。控制
软件首先检查控制面板上
的键盘是否锁定，如果已
经锁定，则程序无法运行，
必须解锁键盘；如果没有
锁定，则可以继续运行。
下一步，控制软件要检查
PLC是否已经进入强制运
行状态，当PLC为强制停
止状态时，PLC的通讯口
是不可以使用的，这时只
能经过PLC的编程口上
传或下载程序，实验者应
在此时编写PLC程序或将
已经编写好的PLC梯形图 图2
程序从上位机下载到PLC中。而当PLC为强制运行状态时，PLC的编程口是不可以使用的，这时只能经过PLC的通讯口对PLC进行实时的控制。如果学生已经向PLC中写入了一定的程序，那么下面的一步就是启动实验台。当实验台启动后，系统会自动检查实验台运行是否正常。如果一切正常，则可以进行其他的操作，如果系统运行有问题，则客户端软件会提示用户重新编写PLC梯形图程序，并告诉实验者问题出现可能的原因和解决办法，直到用户更改程序并使系统运行正常时为止。
5．结束语
此教学实验系统已经成功应用在实际教学当中。实践证明系统具有较高的可靠性、实时性和安全性，对于学生了解和掌握计算机技术、气动技术以及PLC技术都有一定的帮助作用。虽然可编程逻辑控制器在工业领域的应用已经非常广泛，但在教育届的应用却还不是很多，因此本实验教学系统具有一定的实用和推广价值。
［参考文献］
[1] 三菱公司，《三菱微型可编程控制器编程手册》，三菱公司,2000
[2] 张树兵，戴红 等 《Visual Basic 6.0入门与提高》清华大学出版社，2000
