自動售貨機的實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與實現(xiàn)
0引言
自動售貨機是一種由程序設(shè)定的銷售機器，它不受地點、時間的限制，能節(jié)省人力，交易方便，尤其在發(fā)達國家的大城市中較為普及，這是因為：城市中的人口密度高，購買力會成倍的增加；城市中土地價值高，自動售貨機占地面積小；城市中人們生活不規(guī)律，購買時間不固定。目前，自動售貨機在國內(nèi)還未普及，但發(fā)展?jié)摿Σ豢傻凸溃⑶易R別系統(tǒng)、軟件技術(shù)和制冷技術(shù)等領(lǐng)域的進步也為自動售貨業(yè)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。
依據(jù)自動售貨機的控制原理在實驗室中設(shè)計模擬實驗系統(tǒng)，能夠使學生更加貼近PLC控制的生活應(yīng)用，提高學習的興趣及實用性。這里使用了西門子S7-200系列PLC，該系列PLC在國內(nèi)的市場占有率很高，這得益于該PLC較高的性價比、可靠性、抗干擾性及維護方便等優(yōu)點[1]。實驗?zāi)Ｐ偷拇罱ㄊ褂昧斯I(yè)以太網(wǎng)的通信方式完成控制器和上位機的信息交換，使用WinCC設(shè)計了監(jiān)控畫面，畫面完整形象，達到了實踐教學的目的。
實驗?zāi)Ｐ偷南到y(tǒng)構(gòu)成
1.1實驗?zāi)Ｐ偷能浻布榻B
⑴自動售貨機的控制系統(tǒng)的控制器采用了西門子公司的200系列PLC，型號為226CN，通信模塊采用CP243-1IT，模擬量模塊選用EM235CN。西門子226CN型號的CPU有14輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點，程序和數(shù)據(jù)存儲空間為13K字節(jié)，有6個獨立的30kHz高速計數(shù)器和2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，集成的2個RS485通訊/編程口具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力；CP243-1IT通訊處理器用于上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)連接S7-200CPU，實現(xiàn)遠程組態(tài)、編程和診斷，也可用于與其他PLC交換數(shù)據(jù)；EM235是最常用的模擬量擴展模塊，它具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，模擬量的輸入輸出可以為電壓或電流，可選量程較多，適用于不同場合[2]。
⑵上位機使用WindowsXPProfessional操作系統(tǒng)為運行平臺，裝載有WinCCExplorer軟件和STEP7-Micro/WINV4.0軟件，前者為程序?qū)崿F(xiàn)的軟件，后者為監(jiān)控畫面的編輯軟件。當監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時，上位機通過CP243-1IT模塊完成與S7-200CPU的數(shù)據(jù)交換。這里需要說明的是，WinCC的數(shù)據(jù)信息并不能直接從S7-200PLC的通信接口中獲得，還需要西門子的PCAccess軟件提供信息交換的統(tǒng)一標準軟件接口，WinCC軟件作為OPC客戶端得到控制器中的數(shù)據(jù)信息。
組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）軟件平臺工具，是工業(yè)應(yīng)用軟件的一個組成部分。西門子公司的組態(tài)軟件WinCC作為在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，提供了使用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模版，高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的使用性，另外，WinCC還提供了開放的界面用于用戶解決方案，這使得將WinCC集成于復(fù)雜、廣泛的自動控制解決方案成為可能。
1.2實驗?zāi)Ｐ偷墓ぷ饕?/STRONG>
自動售貨機的模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)分為投幣、飲料的選擇和更換料桶三個主要部分。具體流程是：在橙汁和可樂兩個料桶不為空時，按投入硬幣按鈕，投幣下方的指示框?qū)⒗塾嬐稁诺拇螖?shù)，當投幣指示燈變?yōu)榫G色時，表示投幣有效，接下來就可以進行飲料的選擇（橙汁或可樂），選擇的數(shù)量為一杯，且每次只能選擇一杯，多投入硬幣不能多次選擇，兩個料桶只要有至少一個排空，飲料已售完的指示燈將變亮，提示更新料桶，一旦更新料桶，可樂與橙汁的料桶均會重新注滿。
圖1自動售貨機的結(jié)構(gòu)圖
實驗?zāi)Ｐ偷膶崿F(xiàn)
自動售貨機的實驗?zāi)Ｐ蛯崿F(xiàn)主要分為3個步驟：①控制程序的編寫，這里選擇了梯形圖的編程形式，使用了輸入輸出、比較、定時器、計數(shù)器等一系列常用指令；②工業(yè)以太網(wǎng)通信的實現(xiàn)通過建立以太網(wǎng)向?qū)ВO(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、TSAP等參數(shù)和選項，用PPI的通信方式將已經(jīng)設(shè)置好的以太網(wǎng)向?qū)螺d到PLC的CPU模塊，改變操作欄中的“設(shè)置PG/PC接口”，再使用PCAccess軟件做出統(tǒng)一標準的OPC軟件接口；③在WinCC中編輯監(jiān)控畫面，建立外部變量并對應(yīng)連接步驟1中所使用的程序指令寄存器地址，保存并運行。
2.1控制程序的編寫
打開STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件，建立名為“smz1”的項目。如圖2所示，創(chuàng)建信息完整的符號表，這樣在編寫梯形圖程序時可以方便的調(diào)用，不會產(chǎn)生混亂；如圖3所示，在操作欄中單擊程序塊，從左側(cè)指令樹中調(diào)用位邏輯、定時器、計數(shù)等指令拖入網(wǎng)絡(luò)中搭建程序的邏輯結(jié)構(gòu)，點擊“？？？”，寫入相應(yīng)的符號名稱或地址，如果已經(jīng)定義，網(wǎng)格下方將自動出現(xiàn)所用變量的詳細信息。使用相同的方法，完成整個控制程序的編寫。
圖2梯形圖的符號表圖
3程序指令的使用
2.2工業(yè)以太網(wǎng)通信的實現(xiàn)
⑴以太網(wǎng)向?qū)Ыⅰ?/FONT>
在STEP7-Micro/WINV4.0的指令樹中找到向?qū)D標并雙擊，在出現(xiàn)的二級目錄中找到以太網(wǎng)圖標并雙擊，出現(xiàn)以太網(wǎng)向?qū)υ捒颍c擊下一步；在新出現(xiàn)的對話框中點擊讀取模塊，將出現(xiàn)的模塊位置與所設(shè)置的位置保持一致，模塊位置都為0，點擊下一步（注意，如沒有出現(xiàn)CP243-1模塊，則檢查接線或檢查PLC的模塊中是否缺少該模塊）；在出現(xiàn)的對話框中寫入“IP地址”、“子網(wǎng)掩碼”、“網(wǎng)關(guān)地址”，如圖4所示，點擊下一步，（其中“IP地址”可以直接點擊后面的圖標，選擇已經(jīng)保存過的地址）；在出現(xiàn)的對話框中，將“要為此模塊配置的連接數(shù)目”設(shè)置為1，點擊下一步；配置連接對話框中，選擇服務(wù)器連接，服務(wù)器的TSAP與客戶機的TSAP保持一致，在本地屬性中選擇“接受所有連接請求”，點擊確認，連續(xù)點擊下一步直至以太網(wǎng)向?qū)У脑O(shè)置完成[3]。
⑵OPC接口軟件PCAccess的設(shè)置。
雙擊桌面上的“V1.0PCAccess”圖標，打開PCAccess，點擊工具欄上的保存按鈕，將新建項目保存為“smz1”；在文件菜單下點擊“輸入符號”條目，找到D盤下找到在STEP7MicroWIN中建立的文件“smz1.mwp”，選中并點擊打開，該文件就被輸入PCAccess；輸入符號后，在左上角的欄中出現(xiàn)smz1的PLC圖標，在該圖標上右擊鼠標，單擊屬性條目，將PLC屬性中本地和遠程TSAP修改為“10.01”，編輯IP地址，點擊“認”按鈕，如圖5所示；將用戶定義1文件夾重命名為smz1，修改完畢后保存項目，然后選中文件夾，再單擊工具欄中“在測試客戶機中增加當前項目”按鈕，將各變量下載到測試客戶機欄中，接著單擊工具欄中“測試客戶機狀態(tài)”按鈕，測試客戶機欄中質(zhì)量由“Bad”變?yōu)椤癎ood”，單擊“測試客戶機狀態(tài)”按鈕，退出測試狀態(tài)，保存項目，關(guān)閉PCAccess。
圖4以太網(wǎng)向?qū)?shù)設(shè)置圖
5PCAccess設(shè)置
2.3監(jiān)控畫面的連接與運行
⑴WinCC中的變量連接。
在桌面上找到“WinCCExplorer.exe”圖標，雙擊進入WinCC組態(tài)環(huán)境，新建一個項目命名為“smz1”的單用戶項目，選中左欄中變量管理條目，右擊鼠標增加“OPC.chn”驅(qū)動程序條目；在變量管理的子條目中找到OPC通道的圖標，選中并右擊鼠標，點擊新驅(qū)動程序的連接條目，出現(xiàn)連接屬性對話框，點擊屬性按鈕，在OPC服務(wù)器名稱下輸入“s7200.opcserver”，在點擊測試服務(wù)器按鈕，測試通過，點擊確定，再點擊“NewConnection屬性”與“連接屬性”的確定按鈕，完成新的連接的建立；在“OPCGroups（OPCHNUnit#1）”上右擊鼠標，點擊系統(tǒng)參數(shù)，進入OPC條目管理器，再點擊“\\”，選中該條目的子條目下的“s7200.opcserver”，然后點擊對話框右方的瀏覽服務(wù)器，跳出過濾標準對話框，點擊下一步；在新出現(xiàn)的對話框中，點擊左欄中s7200.opcserver前的“+”，選中最后一個“smz1”，右欄中出現(xiàn)了在編程時所設(shè)的變量和類型，選中第一個變量，再點擊增加條目按鈕，出現(xiàn)了增加變量對話框（在這里，可對變量增加前綴和后綴），選中“NewConnection”，再點擊完成按鈕，第一個變量就被添加到了NewConnection的連接下，如圖6所示，以此方法，將所有變量添加到NewConnection下，退出項目管理器。
⑵報警與變量記錄設(shè)置[4]。
①在圖形編輯器中新建各個運行畫面，在顯示庫中選擇所需要的元件，拖至畫面中，根據(jù)具體需要進行設(shè)置，這里不再累贅。主畫面的編輯過程中需要注意兩個問題：一是疊放次序的設(shè)置要正確，其設(shè)置在工具菜單下的“在該層”屬性中；二是對于變量格式的設(shè)置，尤其是非二進制的變量，變量格式會影響到變量的具體使用。
②信息畫面的運行需要進行報警和變量記錄的設(shè)置。首先，打開報警記錄窗口，在文件菜單下單擊“選擇向?qū)А保陆ㄒ粋€系統(tǒng)向?qū)В辉诠ぞ卟藛蜗麓蜷_附加項對話框，選中模擬量報警，點擊確定；鼠標右擊模擬量報警，新建一個變量報警，選擇要監(jiān)視的變量名稱，完成上下限設(shè)置；新建一個歸檔向?qū)В@里設(shè)置不多，只需點擊下一步即可，但在最后完成時需要把要歸檔的變量添加到歸檔向?qū)е小?/FONT>
③打開信息畫面，在對象選項板的控件里選中“WinCCOnlineTrendControl”與“WinCCAlarmControl”控件，在畫面上拖至合適大小，分別需要進行設(shè)置即可，完成后運行組態(tài)畫面，結(jié)構(gòu)如圖1與圖7所示。
圖6WinCC中的變量連接圖
7信息畫面的運行結(jié)果
結(jié)語
該自動售貨機實驗?zāi)Ｐ褪褂昧宋鏖T子S7-200的3種不同模塊，編程過程中使用了盡量多的常用指令，WinCC中的監(jiān)控畫面設(shè)計與一般工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用相吻合，內(nèi)容涉及面廣，銜接比較合理，為自動化領(lǐng)域教學培訓提供了優(yōu)秀范例，也可作為技術(shù)人員在實際現(xiàn)場中的應(yīng)用提供有價值的參考資料。
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