目前新型工業(yè)自動控制系統(tǒng)被劃分為控制級、監(jiān)控級和管理級三層結(jié)構(gòu)。監(jiān)控級的硬件以工業(yè)控制機(jī)(IPC)為主，其軟件采用工業(yè)組態(tài)軟件，實現(xiàn)完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機(jī)制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能；PLC作為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一，以其可靠性高，通用性強(qiáng)，使用方便和較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。
1、現(xiàn)狀與存在的問題
PLC的廣泛應(yīng)用要求培養(yǎng)出更多熟悉其應(yīng)用的技術(shù)人才，為此各個工科院校均開設(shè)了PLC相關(guān)課程，以加強(qiáng)學(xué)生對該技術(shù)的熟悉與掌握，實驗環(huán)節(jié)又是PLC課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，屬于工程技術(shù)類實驗，設(shè)備要求高。各學(xué)校的PLC實驗課程都是在PLC單機(jī)下來運(yùn)行控制某一個模擬對象，是簡的控制方式；另外即使配備有以科教儀器為模擬對象的PLC實驗也只是比較單一，并且實驗結(jié)果也比較呆板。更重要的是不能反映當(dāng)前新型工業(yè)自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，不能滿足目前計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。
2、PLC計算機(jī)監(jiān)控制系統(tǒng)的設(shè)計
根據(jù)以上分析及目前各高校實驗室的實際現(xiàn)狀，筆者開發(fā)研究了以PC機(jī)作為上位監(jiān)控機(jī)，實驗裝置作為被控對象，PLC作為控制級的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。選用PLC(選用三菱FX—ON—MR60一PLC)作為實驗科教儀器對象的控制器(下位機(jī))，實施對模擬對象的檢測及控制，完成工業(yè)控制層的控制。為使系統(tǒng)有較理想的控制效果及監(jiān)控性能，選用計算機(jī)作為上位監(jiān)控機(jī)，通過計算機(jī)和PLC的通信，借助工控組態(tài)軟件開發(fā)出實時監(jiān)控軟件，實現(xiàn)實時監(jiān)督與控制，方便操作、維護(hù)與集中管理的多級控制系統(tǒng)。既能豐富實驗課的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)實驗課的教學(xué)效果，同時使學(xué)生能直觀地通過監(jiān)視界面，看到對象的動作和PLC的工作情況，也擴(kuò)展了知識面，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍了實驗課堂的氣氛，使原本很枯燥的學(xué)習(xí)變得生動起來。圖1為計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖。

圖1 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖
2．1 系統(tǒng)的組成
開發(fā)設(shè)計的實驗系統(tǒng)是以三菱FXON-6OMR PLC為控制器，可編程控制器實驗裝置為研究對象完成平時的PLC實驗與開發(fā)，及選擇裝有MCGS組態(tài)軟件和FXGP—WIN—C的FXON—PLC的編程軟件的計算機(jī)一臺。
選擇組態(tài)軟件設(shè)計友好的人機(jī)監(jiān)控界面，控制PLC實現(xiàn)對科教儀器設(shè)備所提供的模擬被控對象的控制，包括模擬電機(jī)正反轉(zhuǎn)、十字路口交通燈控制、八段數(shù)碼管顯示、水塔水位
控制、電梯控制、彩燈控制等模擬對象。
被控對象是以科教儀器設(shè)備提供的模擬對象，它的數(shù)量有限不能*反映常用的PLC應(yīng)用實例。以PC機(jī)作為“仿真模擬對象”，通過組態(tài)軟件的開發(fā)，對一些工業(yè)過程進(jìn)行組態(tài)來仿真真實對象，以擴(kuò)展PLC實驗的內(nèi)容。例如自動售貨機(jī)，工業(yè)機(jī)械手的控制等。圖2給出了結(jié)合科教儀器設(shè)備提供的模擬對象和以Pc機(jī)為“控制對象”所開發(fā)出的PLC監(jiān)控實驗系統(tǒng)的界面圖。其中MCGS主要是實時監(jiān)示各PLC的實際運(yùn)行情況，并在CRT屏幕上進(jìn)行動畫顯示，使實驗過程比較逼真。圖2給出了14個實驗過程，監(jiān)控實驗系統(tǒng)包括了從PLC的基礎(chǔ)練習(xí)，到實際工程應(yīng)用；一部分是直接控制科教儀器設(shè)備上的模擬對象，另一部分是在計算機(jī)上進(jìn)行的“仿真模擬對象”。
2．2 PC機(jī)和PLC的通信
PLC的通信控制和串行通信接口集中于PLC的通信模塊上。通信模塊中包括通信功能所需要的硬件資源和實現(xiàn)通信的系統(tǒng)程序。PLC通信模塊的作用是在PLC和PC或PLC之間建立數(shù)據(jù)通信通道。通信模塊的用途有：編程、檢查程序、控制工程方式、監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)及改變I／O狀態(tài)等。PLC網(wǎng)絡(luò)通信方式有多種，由于串行通信不需要專門的通信模塊就可以實現(xiàn)一種簡單的通信連接，設(shè)計中采用串行通信，使一臺PLC和一臺主機(jī)相連，主機(jī)除負(fù)責(zé)監(jiān)控PLC的運(yùn)行狀態(tài)外，還可以直接發(fā)布命令控制PLC的工作，PLC負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制級的自動控制。
在系統(tǒng)中，首先把PLC和計算機(jī)相連，按照RS一232的通訊協(xié)議設(shè)定好。在其軟件的編程環(huán)境下編寫下位機(jī)的控制程序，再將其寫入PLC中。然后把MCGS中的軟按鈕和PLC設(shè)定的開關(guān)一一對應(yīng)，從而實現(xiàn)計算機(jī)對PLC控制，并使其按編寫的PLC程序控制模擬對象。
2．3 控制層設(shè)計
結(jié)合FXON一60MR PLC和PLC—I型可編程控制器實驗裝置，對每個實驗對象按照要求進(jìn)行設(shè)計，合理分配PLC的各I／O端口，并和模擬對象正確接線，使其外部接線按照各輸入／輸出點及科教儀器的對應(yīng)接線孔和PLC的硬件接線要求進(jìn)行連線。并且在FXGP—WIN— C的FXON—PLC的編程軟件下進(jìn)行編程，畫出其梯形流程圖，并經(jīng)計算機(jī)對PLC在線編程。采用計算機(jī)完成的“仿真模擬對象”只按工作時序邏輯要求進(jìn)行在線編程，不用連接線路。
3、設(shè)計實例
下面以PLC控制交通信號燈為例，說明以計算機(jī)為上位機(jī)，借助組態(tài)軟件開發(fā)應(yīng)用軟件，負(fù)責(zé)PC機(jī)和PLC間的通信，實現(xiàn)監(jiān)督管理的計算機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)控PLC設(shè)備與工業(yè)過程自動控制的目的。
3．1 系統(tǒng)功能
PLC實現(xiàn)十字路口交通燈的控制系統(tǒng)，其功能通過設(shè)計好的人機(jī)控制界面，實現(xiàn)PLC各個輸入輸出的狀態(tài)，并在交通管制時通過在計算機(jī)控制界面上的按鈕實現(xiàn)特殊情況下，道路交通燈的控制要求。系統(tǒng)的構(gòu)成由應(yīng)用軟件和PLC硬件組成，其中MCGS開發(fā)的應(yīng)用軟件主要是實時監(jiān)控十字路口交通燈的運(yùn)行情況；在交通燈發(fā)生故障時報警顯示；可通過在界面上
直接控制交通燈的正常及特殊情況下的運(yùn)行。PLC主要實現(xiàn)對交通燈的直接控制。通過I／O端口的合理分配，以及硬件電路的正確接線，對十字路口交通燈進(jìn)行控制，并通過軟件編程使交通燈按照預(yù)先設(shè)定的時間運(yùn)行。
3．2 系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行
在PXGP_WIN—C軟件的編程環(huán)境下，通過指令表的編程模式編寫程序，并設(shè)置好PLC與計算機(jī)的通訊協(xié)議，選擇COM1，波特率設(shè)定為9600bps。檢查程序無誤后，把程序?qū)懭隤LC，把PLC撥在“，RUN”狀態(tài)，觀察PLC的輸入輸出狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求。此過程可借助實驗室中的PLC控制實驗臺。連接好硬件電路，觀察十字路口交通燈顯示是否按設(shè)計要
求進(jìn)行運(yùn)行。
運(yùn)行組態(tài)軟件及應(yīng)用程序，打開設(shè)備窗口選擇PLC類型及通信方式設(shè)置，使用戶窗口中的屬性設(shè)置正確，運(yùn)行通信窗口檢驗PLC和PC機(jī)的通信是否成功。再切換到主控窗口，進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，分別在手動下發(fā)布相關(guān)信息，觀察PLC及交通燈的運(yùn)行情況，直到實現(xiàn)按命令控制相應(yīng)交通燈的變化。
依照電氣原理線路圖和科教儀器進(jìn)行連線，使系統(tǒng)順序通電，按照設(shè)計規(guī)定的控制流程，使系統(tǒng)依次投入運(yùn)行。在上位機(jī)的控制畫面中監(jiān)控PLC的工作，可以實時地對PLC進(jìn)行控制。調(diào)試MCGS與PLC之間的通訊及控制，完成系統(tǒng)設(shè)計工作，以達(dá)到滿意的控制效果。
通過設(shè)計PLC的硬件電路和編寫程序軟件，以及設(shè)計MCGS主控界面。在主控界面點擊啟動，PLC開始工作，通過運(yùn)行寫入PLC的程序，觀察PLC的輸出端口，并在PLC實驗臺上觀察模擬的交通燈的顯示。可看出東西紅燈亮30秒，南北綠燈亮25秒，閃2秒，黃燈亮3秒。交替循環(huán)，并與MCGS監(jiān)控主畫面的動畫鏈接顯示一致，符合設(shè)計要求。