专利名称：Plc虚拟数字实验室系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种PLC虚拟数字实验室系统可编程序控制器(PLC)作为实现工业自动化的三大支柱之一，已在世界范围内得到广泛应用，它从继电器的更新换代产品已发展成为工业自动化的理想控制工具，在我国工业企业的技术进步，传统企业的技术改造等方面起着重要的作用，它的推广应用对企业提高产品质量和经济效益具有重要意义。随着PLC技术推广应用，迫切需要大批从事PLC应用技术人才和设备维修人员进行技术培训。而目前我国从事PLC教学的教师和PLC实验设备严重不足，不能满足技术进步和PLC技术应用的发展需要，严重影响了PLC技术应用的质量和水平，制约了生产力水平的发展。
目前从工科大专院校到中等职业技术学校，在职技术人员的培训和专业技能等级考核，都增加了PLC技术的内容，每年参加PLC学习和培训的人员超过100万人次。但从PLC实验设备情况看存在以下不足1、PLC实验设备较贵，装备一个PLC实验室少则几十万，多则几百万元，一般学校无力购买，不能普及使用。
2、每种PLC实验设备只能针对某一PLC生产厂家的PLC进行培训，不能满足多种机型的培训要求。
3、PLC技术本身发展较快，一般3-5年就推出一代新型产品，学校的教学设备无法及时更换，以适应PLC技术发展的需要。
4、近两年来，随着计算机网络技术的发展，网络教育，远程教学得到广泛应用。但在网络教育中的实验室问题一直是制约远程教育发展的重大国际难题。由于实验设备条件和指导教师的不足使远程教学，特别是工程专业远程教学的发展受到很大限制。
本发明的目的在于提供一种可克服上述不足，采用计算机仿真技术和多媒体技术相结合的PLC虚拟数字实验室系统。
本发明的目的是这样实现的PLC虚拟数字实验室系统，是由计算机硬件接口和微机软件两部分组成，硬件接口是由微机接口卡和实验操作控制箱构成，微机接口卡插于计算机PCI扩展槽内，微机接口卡还通过50芯扁平线与带有操作显示板的实验操作控制箱相连接，其特征在于还设有软件系统，软件系统由系统主控模块；源程序编辑、编译与文件管理模块；PLC仿真模块；PLC运行状态监控模块；实验模型仿真模块；指令帮助模块；I/O接口模块组成，在系统主控模块的控制下运行其它模块。
本发明具有以下特点1、低成本；该项目可完成常用PLC(如日本OMRON的C系列，三菱F系列)的各项实验任务，可取代PLC学习机，而价格只相当于其中某一型号PLC学习机的30％。
2、实验效果优于现有PLC学习机，该项目能代替多种PLC厂家的PLC学习机，具有丰富的被控对象模型，并具有状态显示，错误提示等多种实验帮助和辅助教学功能。
3、能完成网络教育，远程教学功能，满足个性化、弹性化的教学要求。
下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。
图1是微机接口卡电路原理2是接口部分结构框3、图4是实验操作控制箱的电路原理5是实验操作控制箱显示板结构6是软件系统整体结构图其中1是系统主控模块2是源程序编辑、编译模块3是虚拟PLC模块4是状态监控模块5是虚拟被控对象模块6是多媒体教学帮助模块7是I/O接口模块图7是数据流向图其中8是编辑9是编译10是虚拟PLC仿真11是I/O接口12是数据区13是状态监控14是虚拟实验模型图8是系统主控模块流程9是源程序编辑、编译与文件管理模块流程10是PLC仿真模块流程11是PLC运行状态监控模块流程12是实验模型仿真模块流程13是液体混合模型流程图本发明是一种PLC虚拟数字实验室系统，是由计算机硬件接口和微机软件两部分组成，硬件接口是由微机接口卡和实验操作控制箱构成，微机接口卡插于计算机PCI扩展槽内，微机接口卡还通过50芯扁平线与带有操作显示板的实验室操作控制箱相连接。如图6所示还设有软件系统，软件系统由系统主控模块1；源程序编辑、编译与文件管理模块2；PLC仿真模块3；PLC运行状态监控模块4；实验模型仿真模块5；指令帮助模块6；I/O接口模块组成7，在系统主控模块1的控制下运行其它模块。
如图1所示，微机接口卡包括一片74LS244，一片74LS245，一片74LS688，一片GAL IC，两片8255，一个8位的开关，以及它们的连线；74LS245为三态双向缓冲器，作为PC数据总线和8255之间的缓冲器，并提高了带负载能力；74LS244为三态单项缓冲器，用PC的信号控制74LS245的方向和两片8255的工作方式；GAL芯片作为74LS244的补充，控制74LS245和两片8255的片选；74LS688为8位等值比较器，同8位开关配合，作为接口卡的地址选择；8255是并行接口芯片；一片作为输出，一片作为输入，各提供24点；微机接口卡一端插在PC机的扩展槽中，一端通过50芯扁平线同实验操作控制箱相连。
如图2所示，实验操作控制箱是由4个输出显示模块和4个输入选择模块构成，其中A1-A4为输出显示模块，A1、A2是00CH通道，A3、A4是01CH通道；每个模块显示4位，结构相同；如图3所示显示方式分为发光管和数码管两种同时输出，数码管可显示四位十六进制输出控制数据；信号1-4来自扁平线插槽，1经7404反向器输出信号5，再经一次7404反向输出信号9，两次反向是为了提高带负载的能力；信号9通过10K的碳膜电阻变成信号10，接于发光管的阴极，发光管的阳极同电源VCC相连；信号2经7404反向器输出信号6，再经一次7404反向输出信号11，两次反向是为了提高带负载的能力；信号11通过10K的碳膜电阻变成信号12，接于发光管的阴极，发光管的阳极同电源VCC相连；信号3经7404反向器输出信号7，再经一次7404反向输出信号13，两次反向是为了提高带负载的能力；信号13通过10K的碳膜电阻变成信号14，接于发光管的阴极，发光管的阳极同电源VCC相连；信号4经7404反向器输出信号7，再经一次7404反向输出信号15，两次反向是为了提高带负载的能力；信号15通过10K的碳膜电阻变成信号16，接于发光管的阴极，发光管的阳极同电源VCC相连；信号1同时接到COMS译码管MC14995的A端，信号2接到MC14995的B端，信号3接到C，信号4接到D；MC14995的CR和VCC分别接到地GND和电源VCC；MC14995的输出a，b，c，d，e，f，g，h接到共阴极数码管的输入端；如图2所示B1-B4为输入选择模块，B1、B2是00CH通道，B3、B4是01CH通道；每个模块4位输入，结构相同；如图4所示输入方式分为拨码器和开关两种输入方式；信号1-4来自扁平线插槽，信号1经7404反向器输出信号5，再经一次7404反向输出信号9，两次反向是为了提高带负载的能力；信号9通过10K的碳膜电阻变成信号10，接于发光管的阴极，发光管的阳极同电源VCC相连；信号2经7404反向器输出信号6，再经一次7404反向输出信号11，两次反向是为了提高带负载的能力；信号11通过10K的碳膜电阻变成信号12，接于发光管的阴极，发光管的阳极同电源VCC相连；信号3经7404反向器输出信号7，再经一次7404反向输出信号13，两次反向是为了提高带负载的能力；信号13通过10K的碳膜电阻变成信号14，接于发光管的阴极，发光管的阳极同电源VCC相连；信号4经7404反向器输出信号7，再经一次7404反向输出信号15，两次反向是为了提高带负载的能力；信号15通过10K的碳膜电阻变成信号16，接于发光管的阴极，发光管的阳极同电源VCC相连；信号1同时通过二极管得到信号17，联于开关S1，开关S1的另一端为信号25；信号2同时通过二极管得到信号18，联于开关S2，开关S2的另一端为信号25；信号3同时通过二极管得到信号19，联于开关S3，开关S3的另一端为信号25；信号4同时通过二极管得到信号20，联于开关S4，开关S4的另一端为信号25；信号1同时通过二极管得到信号21，信号2同时通过二极管得到信号22，信号3同时通过二极管得到信号23，信号4同时通过二极管得到信号24；
信号21、22、23、24同拨码器相连，根据拨码器的输入得到相应的点位；信号25和拨码器的信号26共同由拨动开关S5决定是否接到地，相应的产生输入方式的选择；如图5所示，实验操作控制箱面板是由输出00CH通道的数码管输出、输入00CH通道的拨码器输入、电源开关、00CH通道的输入方式选择开关、输出01CH通道发光管显示、输出00CH通道发光管显示、输入00CH通道开关输入、输入00CH通道开关输入共同构成；其中输出00CH通道有两种显示方式分别为数码管显示和发光管显示，并同时显示通道的内容；输出01CH通道只有发光管显示一种显示方式；输入00CH通道有两种输入方式分别为拨码器输入和开关输入，由方式选择开关控制，可选择任一种输入方式；输入01CH通道只有开关输入一种输入方式。
如图7所示为数据流向图，其中编辑8、编译9、PLC仿真10依次串接到数据区12，I/O接口11、状态监控13分别与数据区12相接，数据区12输出至实验模型14。
如图8系统主控模块是协调各子模块之间工作顺序和控制程序的流程，它的工作步骤(1)启动整个系统，选择PLC机型；(2)根据用户的操作请求决定调用编辑模块还是调用多媒体模块进行多媒体教学；(3)若选择编辑，进入编辑状态；(4)对编辑完毕的程序进行编译，若出错返回上一步，否则继续下一步；(5)调用实验模型仿真模块进行仿真、监控等；(6)结束。
如图9所示编辑模块提供用户输入PLC源程序的环境，进行复制、剪切和粘贴、读取并保存任意的文本文件，方便用户对源程序的管理。
编译部分主要功能是将用户的PLC源程序转换成"PLC仿真系统所能识别的代码"是整个PLC仿真的与用户的接口，是整个系统的开端。工作步骤(1)第一部分对代码进行规范，主要实现a、将用户源代码中的地址信息去除。
b、将多余空格去掉，是每个代码之间用一个空格分隔。
c、将所有字母由小写转换为大写。
d、将属于一个命令的内容归整到一个物理行。
e、将规范的结果写入一个新的规范文件中。
(2)第二部分主要进行语法和语义分析a、读取每行语句，检查源程序当中的语法错误b、语义分析，将源代码转换成程序所需的目标代码。
如图10所示PLC仿真模块是用内嵌汇编语言，把PLC的一条条指令仿真成一个个函数，每个函数都把仿真结果写出到数据区里去，从而实现PLC仿真，其工作步骤(1)保护现场，把现场的环境保存起来(2)从函数的参数里获得操作数
(3)根据操作数的内容去数据区是读取相应的内容(4)根据指令功能进行PLC仿真(5)恢复现场环境(6)结束如图11所示PLC运行状态监控模块是监视操作程序的执行状态，并且在必要时不直接修改PLC内部数据值，为实验程序的调试和检查提供方便。其工作步骤为(1)初始化，保存当前数据区的内容。
(2)用户输入需要监控的通道和继电器。
(3)不断读取数据区的内容，若发现有变化则刷新当前屏幕上的监控值，并且保存当前数据区的内容。
(4)结束。
如图12所示实验室模型仿真模块是根据用户的程序控制实验模型，并用动画显示出来，工作步骤为(1)初始化一些通道和特殊继电器(2)I/O端口分配，把实验需要控制的对象和PLC的输入/输出端对应起来。
(3)启动定时器作定时循环，每隔一定时间调用PLC仿真模块和显示动画。
(4)调用PLC仿真模块进行PLC仿真的结果反应在数据区里。
(5)读取2分配好I/O端口的通道位/值，然后根据它们的值显示相应的动画。
(6)显示实验模型的动画。
(7)把实验模型的结果写到相应的通道中。
程序是否满足控制要求，若满足跳至4继续仿真，不满足则提示信息并停止仿真。
如图13所示是虚拟被控对象的例子，为液体混合模型，具体工作步骤为(1)初始化特殊继电器R1808-R1907的值。
(2)分配Y1、Y2、L1、L2、L3、T、HOT、motor、Y4的通道。
(3)根据Y1、Y2、L1、L2、L3、T、HOT、motor、Y4通断显示相应的动画，并根据动画结果设置相应的通道值如L1通把L1置为“通”。
(4)判断实验模型是否出错，如液面超出范围、温度过高等出错，提示错误信息，并停止实验。
多媒体教学帮助模块利用多媒体互动式方式进行PLC课程的教学讲解每一条指令的功能和用途，以及一些PLC编程技巧等，能够解答学生的各种疑难问题，真正实现虚拟数字实验室的功能。该系统在提示帮助方面作了最大限度的工作，为使用者进行了最体贴的设计。无论是从软件菜单的使用，还是PLC程序的编辑、修改，都会得到系统及时充分的提示帮助。在编程时，不仅可以找到每条指令的功能、应用文字说明以及简例，而且系统还会对你所编写的程序中的任何错误进行提示，并给出修改意见。
I/O接口模块它是硬件系统和软件系统的接口，提供PLC虚拟数字实验室操作控制电路输入/输出信号和软件系统中数据的连接。将输入信号读入虚拟PLC模块，再将PLC仿真的执行结果送到实验操作电路进行输出。
权利要求
1.一种PLC虚拟数字实验室系统，是由计算机硬件接口和微机软件两部分组成，硬件接口是由微机接口卡和实验操作控制箱构成，微机接口卡插于计算机PCI扩展槽内，微机接口卡还通过50芯扁平线与带有操作显示板的实验操作控制箱相连接，其特征在于还设有软件系统，软件系统由系统主控模块；源程序编辑、编译与文件管理模块；PLC仿真模块；PLC运行状态监控模块；实验模型仿真模块；指令帮助模块；I/O接口模块组成，在系统主控模块的控制下运行其它模块。
2.根据权利要求1所述的PLC虚拟数字实验室系统，其特征在于所述的系统主控模块是协调各子模块之间工作顺序和控制程序的流程，它的工作步骤(1)启动整个系统，选择PLC机型；(2)根据用户的操作请求决定调用编辑模块还是调用多媒体模块进行多媒体教学；(3)若选择编辑，进入编辑状态；(4)对编辑完毕的程序进行编译，若出错返回上一步，否则继续下一步；(5)调用实验模型仿真模块进行仿真、监控等；(6)结束；
3.根据权利要求1所述的PLC虚拟数字实验室系统，其特征在于编辑部分提供用户输入PLC源程序的环境，进行复制、剪切和粘贴、读取并保存任意的文本文件，方便用户对源程序的管理；编译部分主要功能是将用户的PLC源程序转换成＂PLC仿真系统所能识别的代码＂是整个PLC仿真与用户的接口，是整个系统的开端；工作步骤(1)第一部分对代码进行规范，主要实现a、将用户源代码中的地址信息去除b、将多余空格去掉，使每个代码之间用一个空格分隔c、将所有字母由小写转换为大写d、将属于一个命令的内容归整到一个物理行e、将规范的结果写入一个新的规范文件中(2)第二部分主要进行语法和语义分析a、读取每行语句，检查源程序当中的语法错误b、语义分析，将源代码转换成程序所需的目标代码
4.根据权利要求1所述的PLC虚拟数字实验室系统，其特征在于PLC仿真模块是用内嵌汇编语言，把PLC的一条条指令仿真成一个个函数，每个函数都把仿真结果写到数据区里去，从而实现PLC仿真，其工作步骤(1)保护现场，把现场的环境保存起来(2)从函数的参数里获得操作数(3)根据操作数的内容去数据区是读取相应的内容(4)根据指令功能进行PLC仿真(5)恢复现场环境(6)结束
5.根据权利要求1所述的PLC虚拟数字实验室系统，其特征在于所述的PLC运行状态监控模块是监视操作程序的执行状态，并且在必要时不直接修改PLC内部数据值，为实验程序的调试和检查提供方便；其工作步骤为(1)初始化，保存当前数据区的内容(2)用户输入需要监控的通道和继电器(3)不断读取数据区的内容，若发现有变化则刷新当前屏幕上的监控值，并且保存当前数据区的内容(4)结束
6.根据权利要求1所述PLC虚拟数字实验室系统，其特征在于所述的实验室模型仿真模块是根据用户的程序控制实验模型，并用动画显示出来，工作步骤为(1)初始化一些通道和特殊继电器(2)I/O端口分配，把实验需要控制的对象和PLC的输入/输出端对应起来(3)启动定时器作定时循环，每隔一定时间调用PLC仿真模块和显示动画(4)调用PLC仿真模块进行PLC仿真的结果反应在数据区里(5)读取(2)分配好I/O端口的通道位/值，然后根据它们的值显示相应的动画(6)显示实验模型的动画(7)把实验模型的结果写到相应的通道中程序是否满足控制要求，若满足跳至(4)继续仿真，不满足则提示信息并停止仿真。
全文摘要
PLC虚拟数字实验室系统,是将微机接口卡插于计算机扩展槽内,微机接口卡还通过50芯扁平线与实验室操作控制箱相连;其软件系统是由主控模块,源程序编辑、编译与文件管理模块,PLC仿真模块,PLC运行状态监控模块,实验模型仿真模块,指令帮助模块,I/O接口模块组成,在系统主控模块的控制下运行其它模块。本发明成本低,可完成常用的PLC的各项实验任务,具有丰富的被控对象模型,并具有状态显示,能完成网络教育和远程教育。
文档编号G06F17/00GK1299093SQ0013687
公开日2001年6月13日 申请日期2000年12月29日 优先权日2000年12月29日
发明者崔世钢 申请人:崔世钢