组态软件在简易机械手仿真教学中的应用Word文件下载.docx
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PLC教学具有很强的实践性,因此必须开设PLC实训课。
PLC的控制实训一般都要求有真实的被控对象,而真正的被控对象一般都具有体积大、份量重、价格昂贵、维护困难等特点,很难在实训室配备。
即使实训室配置了某些相对简单的设备,也因其易损坏、种类少而远远不能满足实训教学的需要。
从教学意义上来说,如果可以用计算机模拟被控对象,不但可以克服真实被控对象的缺点,而且可能用有限的设备、低廉的造价、多样化的程序,丰富学生的实训内容,大大增强PLC实训课的教学效果。
在PLC控制的简易机械手实训教学中，许多学生并没有接触过简易机械手，对于简易机械手控制的工艺过程，难于理解。
让实训培训单位投资购买大量的模拟仿真的简易机械手设备也是不现实的。
因此，如何通过仿真教学，使学生直观、形象地理解简易机械手的动作过程，并用PLC进行控制，是PLC控制的简易机械手实训教学的一个难点。
如何在PLC简易机械手控制中进行实训仿真教学？
正是本文要探讨的课题。
一、解决问题的方案的探索
1．利用计算机PowerPoint软件制作PPT幻灯片，脱离PLC控制，动画演示简易机械手的动作，仿真显示简易机械手控制的动作过程。
简易机械手的动作由多张PPT幻灯片动画演示，与控制设备控制过程的联系困难，仅能脱机仿真显示简易机械手的动作过程，让学生直观、形象了解简易机械手的动作过程，帮助学生理解PLC控制简易机械手的流程。
该方案的缺点是不能帮助学生检验简易机械手PLC控制程序是否正确，也不能快速、准确地告知学生程序出错点及其原因。
2．通过计算机VB程序、C语言程序、数据库程序或Delphi程序、数据库程序等程序设计语言的编程设计，模拟仿真简易机械手控制系统，仿真控制简易机械手的运行；
通过计算机VB程序、C语言程序、数据库程序或Delphi程序、数据库程序等程序设计语言的编程设计，可以实现模拟仿真简易机械手控制系统，仿真控制简易机械手的运行，并检验简易机械手PLC控制程序是否正确。
该方案对教师要求高，要学习计算机VB程序、C语言程序、数据库程序或Delphi程序、数据库程序等程序设计语言，并学习程序设计语言的编程设计技巧，学习计算机与外部设备PLC的通信知识，才可以实现仿真控制简易机械手的运行。
程序调试难度大，周期长，可靠性不高。
3．通过组态软件动画显示简易机械手的动作过程，利用PLC程序控制简易机械手的电磁阀，实现对简易机械手的仿真控制。
“组态王”组态软件以其高可靠、通信快速、动画设计便捷、功能强大、界面友好和开发简洁等优点而得到了广泛的应用。
利用“组态王”软件为工具,通过软件来模拟实物的PLC控制对象,动画显示简易机械手的动作过程，利用PLC程序控制简易机械手的电磁阀，可以实现对简易机械手的仿真控制。
该方案易于实施，程序设计、调试简单，组态软件可与PLC进行实时通信，利用组态软件的强大的实时数据库组态功能，很容易实现简易机械手的动画连接，通过组态软件的命令语言，动画显示简易机械手的动作过程，利用PLC程序控制简易机械手的电磁阀，实现对简易机械手的仿真控制。
二、机械手的控制要求
机械手的控制要求如下：
1．机械手具有启动、停止、水平移动、垂直移动、夹紧、放松等动作功能；
2．操作人员可以通过启动、停止按钮控制机械手的启动、停止；
3．机械手的水平移动、垂直移动、夹紧、放松通过PLC控制的电磁阀实现。
三、利用组态软件实现简易机械手仿真教学的整体设计
利用组态软件实现简易机械手仿真教学分三步完成，具体步骤如下：
1．利用组态软件初步实现简易机械手运行的动态演示
组态软件集成了图形技术，人机界面技术，数据库技术，控制技术，网络与通信技术，使控制系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成监控软件设计，降低了监控画面开发难度。
组态软件拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，使开发人员避免了软件设计中许多重复性的开发工作，可提高开发效率，缩短开发周期，已成为监控系统主要的软件开发工具之一。
组态王Kingview提供了多种控制器件库、图形控制和功能组件，可组态各种显示与控制功能，创建画面和信息并将其与PLC程序链接，以图形形式显示系统操作状态、当前过程值及故障信息，提供友好的人机界面来操作被监控的设备或系统，对PLC系统中的实时数据进行显示、记录、存储、处理，满足各种监控要求。
利用组态王Kingview创建一个工程项目，在工程项目中创建一个“初级演示”画面，在“初级演示”画面上可以设计图1所示的简易机械手监控示意图，再设置机械手x、机械手y、工件x、工件y、运行标志a、次数a等内存变量，设置矩形A、B、C等图形部件相关的动画组态，并设计初级演示画面的命令语言程序，反复调试，完成该工程项目的组态。
图1初级演示
运行该工程项目，可初步实现简易机械手运行的动态演示。
2．用组态软件控制PLC实现简易机械手的仿真控制
在工程浏览器中创建一个“简易控制”画面，在“简易控制”画面可以设计图2所示的机械手简易控制图。
图2简易控制
将三菱FX系列PLC与计算机的COM1连接，在工程浏览器中配置设备三菱PLC，再设置放松阀、夹紧阀、下移阀、上移阀、右移阀、左移阀等变量，这些变量分别与三菱PLC的Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5相关联，设置运行标志b、次数b等内存变量。
设置图形部件、指示灯等图素相关的动画组态，并设计简易控制画面的命令语言程序，反复调试，完成“简易控制”画面的组态。
运行该工程项目，打开“简易控制”画面，可实现简易机械手简易控制运行的仿真动态演示。
运行过程中，伴随机械手的运行，相关的指示灯点亮或熄灭。
3．实现组态软件与PLC联动的仿真教学
在工程浏览器中创建一个“仿真控制”画面，在“仿真控制”画面可以设计图3所示的机械手简易控制图。
图3仿真控制
设置运行标志c、次数c等内存变量。
打开图库，选择开关图形，在六个指示灯旁放置六个开关。
根据简易机械手的控制要求，在PLC内编制简易机械手控制程序。
设置图形部件、指示灯、开关等图素相关的动画组态，并设计仿真控制画面的命令语言程序，反复调试，完成“仿真控制”画面的组态。
运行PLC程序，运行机械手控制组态工程，用组态软件实时显示简易机械手的动作过程，用PLC控制简易机械手电磁阀，实现组态软件与PLC联动的仿真教学。
四、利用组态软件初步实现简易机械手仿真教学
利用组态软件初步实现简易机械手仿真教学的步骤如下：
1．启动组态王软件，进入工程管理器界面；
双击桌面的组态王图标“
”，启动组态王软件，进入图4所示工程管理器界面。
图4工程管理器
2．新建一个工程
点击工程管理器文件菜单，选择新建工程菜单项，弹出新建工程向导；
根据新建工程向导的提示，点击“下一步”按钮，输入新建工程所在的目录（例如D：
）；
再点击“下一步”按钮，输入新建工程的名称（例如简易机械手控制）；
最后点击“完成”按钮，完成组态王工程“简易机械手控制”新建工程工作。
3．进入工程浏览器
点击工程管理器的开发命令按钮，或双击新建的“简易机械手控制”工程，弹出进入演示模式对话框，点击“忽略”按钮，再点击弹出的将进入演示方式对话框的“确定”按钮，进入图5所示的工程浏览器；
图5工程浏览器
4．新建新画面
在工程浏览器的工程目录显示区，单击“文件”大纲下面的“画面”成员名，然后在目录内容显示区双击“新建”图标，启动组态王的“画面开发系统”程序，并弹出“新画面”窗口。
在这个窗口中将画面的名称设置为“初级演示”，画面高度设置为“600”，画面宽度设置为“800”，如图6所示。
图6新画面设置
5．使用工具箱，绘制简易机械手演示画面；
在画面开发系统中使用管道工具、矩形工具、文本工具，组建图7所示的画面。
图7初级演示画面
（1）画矩形的方法
1）点击工具箱的“矩形”按钮，在画面点击一个起始点，然后在画面上拉出合适大小的矩形，在结束处松开鼠标左边按钮，划出水平矩形；
2）点击工具箱的“调色板”按钮，弹出调色板，单击水平矩形，在调色板为水平矩形的选择颜色，水平矩形颜色变为所选色；
3）水平矩形的左上角坐标为（275，123），宽度为410，高为34（单位是像素）；
4）矩形A的左上角坐标为（570，156），宽度为91，高为31（单位是像素）；
5）矩形B的左上角坐标为（600，186），宽度为30，高为124（单位是像素）；
6）矩形C的左上角坐标为（596，338），宽度为38，高为38（单位是像素）。
（2）画机械手的方法
放松机械手是三个矩形与两个三角形的组合体，画完三个矩形与两个三角形后，用鼠标拉一个框，把它们框在一起，再点击工具箱的“合成组合图素”命令按钮，将它们组合在一起。
夹紧机械手画法与放松机械手相似，只是紧凑些。
（3）文字输入方法
点击工具箱中的“文本”按钮，然后在画面选择文本需放置的合适位置按下鼠标左键，再输入文字即可。
（4）按钮设计
1）点击工具箱的“按钮”图标，然后在画面上合适位置按住鼠标拉出一个矩形区域，松开鼠标，该区域显示一个按钮。
2）用鼠标右键点击按钮，弹出快捷菜单，选择字符串替换命令项，弹出按钮属性对话框，修改按钮文本中的文字为“启动”，再点击“确定”按钮，按纽文本修改完成。
3）其他停止、简易控制、仿真控制按钮设计按上述方法制作，只是文本分别为“停止”、“简易控制”、“仿真控制”。
7．定义内存变量
单击工程浏览器的数据库大纲下的数据词典成员名，然后在目录内容显示区双击“新建”图标。
出现定义变量对话框，如图8所示。
图8定义变量
在基本属性页中输入变量名“机械手x”，变量类型设置为“内存整数”，其他属性显示为灰色，不可改变，再点击“确定”按钮，则完成了第一个变量“机械手x”定义。
用同样的方法定义“机械手y”、“工件x”、“工件y”、“运行标志a”、“次数a”等变量。
8．动画连接
建立动画连接是指使画面上的图形对象与数据变量之间建立一定的关系，当变量改变时，画面上的图形对象以图形对象的动画效果表示出来。
要让画面上的图形能够反映出机械手的动作，必须要让这些图形对象能够根据变量的变化而产生一定的动作，如水平移动、垂直移动等。
（1）水平矩形的动画连接
双击水矩形道，弹出“动画连接”对话框，如图9a所示。
再单击“缩放”按钮，弹出“缩放连接”对话框，如图9b所示，单击“？
”号按钮，将“表达式”设置为\\本站点\机械手x，变化方向设置为“从右向左缩放”，最小时对应值为0，占据百分比为50%，最大时对应值设为100，占据百分比为100%，然后再单击“确定”按钮，回到“动画连接”对话框。
再单击“确定”按钮。
完成水平矩形的动画连接。
a）b）
图9动画连接
（2）矩形图A的动画连接
双击矩形图A，弹出“动画连接”对话框，再单击“水平移动”按钮，弹出“水平移动”对话框，将“表达式”设置为\\本站点\机械手x，向左移动距离设置为200，最左边对应值为0，向右移动距离设置为0，最右边时对应值设为100，再单击“确定”按钮，回到“动画连接”对话框。
完成矩形图A的动画连接。
（3）矩形图B的动画连接
双击矩形图B，弹出“动画连接”对话框，单击“水平移动”按钮，弹出“水平移动”对话框，将“表达式”设置为\\本站点\机械手x，向左移动距离设置为200，最左边对应值为0，向右移动距离设置为0，最右边时对应值设为100，再单击“确定”按钮；
回到“动画连接”对话框。
再单击“缩放”按钮，弹出“缩放连接”对话框，将“表达式”设置为\\本站点\机械手y，变化方向设置为“从下向上缩放”，最小时对应值为0，占据百分比为40%，最大时对应值设为100，占据百分比为100%，然后再单击“确定”按钮，回到“动画连接”对话框，再单击“确定”按钮。
完成矩形图B的动画连接。
（4）矩形图C的动画连接
双击矩形图C，弹出“动画连接”对话框，单击“水平移动”按钮，弹出“水平移动”对话框，将“表达式”设置为\\本站点\工件x，向左移动距离设置为200，最左边对应值为0，向右移动距离设置为0，最右边时对应值设为100，再单击“确定”按钮；
再单击“垂直移动”按钮，弹出“垂直移动”对话框，将“表达式”设置为\\本站点\工件y，向上移动距离设置为0，最左边对应值为0，向下移动距离设置为100，最下边时对应值设为100，再单击“确定”按钮；
然后再单击“确定”按钮，完成矩形图C的动画连接。
（5）机械手的动画连接
双击松开的机械手，弹出“动画连接”对话框，单击“水平移动”按钮，弹出“水平移动”对话框，将“表达式”设置为\\本站点\机械手x，向左移动距离设置为200，最左边对应值为0，向右移动距离设置为0，最右边时对应值设为100，再单击“确定”按钮；
再单击“垂直移动”按钮，弹出“垂直移动”对话框，将“表达式”设置为\\本站点\机械手y，向上移动距离设置为0，最左边对应值为0，向下移动距离设置为100，最下边时对应值设为100，再单击“确定”按钮；
单击“隐含”按钮，弹出“隐含连接”对话框，在条件表达式中输入“\\本站点\次数a>
25&
&
\\本站点\次数a<
140”，在表达式为真的单选中选择“隐含”，单击“确定”按钮，回到“动画连接”对话框，然后再单击“确定”按钮，完成松开的机械手的动画连接。
夹紧机械手的动画连接相类似，只是“隐含连接”时，在条件表达式中输入“\\本站点\次数a>
140”，在表达式为真的单选中选择“显示”。
9．设计命令语言
命令语言是一种类似C语言的程序，设计人员可以利用命令语言书写的程序来增强应用程序的灵活性，组态王的命令语言分为：
应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言和画面命令语言。
命令语言的句法与C语言相似，具有完善的语法错误检验功能，丰富的运算功能以及各类函数（数学函数、系统函数、控件函数、字符串函数等）功能。
命令语言通过“命令语言编辑器”输入，然后由组态王编译执行。
（1）按键命令语言设计
1）启动、停止按钮命令语言设计
双击启动按钮，弹出动画连接对话框，单击命令语言连接下“弹起时”按钮，弹出“命令语言编辑器”，如图10所示。
图10命令语言编辑器
单击“变量[域]”按钮，弹出变量选择对话框，选择\\本站点\运行标志a变量，再按“确定”按钮，变量“\\本站点\运行标志a”自动输入“命令语言编辑器”编辑区，在变量后输入“=1；
”，按确认按钮，回到动画连接对话框，然后按“确定”按钮，完成启动按钮的命令语言设计。
用同样的方法可以完成“停止”按钮的命令语言设计，在命令语言编辑器输入\\本站点\运行标志a=0;
即可。
2）“简易控制”、“仿真控制”按钮命令语言设计
在工程浏览器新建“简易控制”、“仿真控制”两个新画面。
“简易控制”按钮的命令语言设计方法：
双击“简易控制”按钮，弹出动画连接对话框，单击命令语言连接下“弹起时”按钮，弹出“命令语言编辑器”，在“命令语言编辑器”中，点击“全部函数”按钮，弹出“选择函数”对话框，选择“ShowPicture”函数，并单击“确定”按钮，回到“命令语言编辑器”；
选择“ShowPicture（"
PictureName"
）;
”的“PictureName”，在编辑区右边的关键字选择区选取“画面选择”下的“简易控制”，编辑区出现“ShowPicture（"
简易控制"
”命令语言，点击“确认”按钮，回到按钮动画连接对话框，点击“确定”按钮，完成“简易控制”按钮的命令语言设计。
当运行组态王的简易机械手控制工程是，如果点击“简易控制”按钮，自动弹出“简易控制”画面，即程序跳转到“简易控制”画面运行。
用同样的方法可以完成“仿真控制”按钮的命令语言设计，命令语言内容是：
“ShowPicture（"
仿真控制"
”，该命令语言的作用是运行中如果点击改按钮，程序跳转到“仿真控制”画面运行。
（2）画面命令语言设计
用鼠标右键点击“初级演示”画面的空白处，弹出快捷菜单，选择“画面属性”菜单项，弹出“画面属性”对话框，在对话框中单击“画面命令语言”按钮，弹出“画面命令语言编辑器”。
选择“显示时”页面，在其中输入下列命令语言：
\\本站点\运行标志a=0;
\\本站点\次数a=0;
\\本站点\机械手x=0;
\\本站点\机械手y=0;
\\本站点\工件x=0;
\\本站点\工件y=100;
这部分程序是“初级演示”画面显示的初始化程序，让机械手回到初始状态，即机械手位于机械手运行系统的左上角、工件位于左下角。
选择“存在时”页面，在其中输入下列命令语言：
if（\\本站点\运行标志a==1）
{if（\\本站点\次数a>
=0&
25）
{\\本站点\机械手y=\\本站点\机械手y+4;
\\本站点\次数a=\\本站点\次数a+1;
}
if（\\本站点\次数a>
=25&
40）
{\\本站点\次数a=\\本站点\次数a+1;
}
=40&
65）
{\\本站点\机械手y=\\本站点\机械手y-4;
\\本站点\工件y=\\本站点\工件y-4;
\\本站点\次数a=\\本站点\次数a+1;
=65&
115）
{\\本站点\机械手x=\\本站点\机械手x+2;
\\本站点\工件x=\\本站点\工件x+2;
=115&
140）
{\\本站点\机械手y=\\本站点\机械手y+4;
\\本站点\工件y=\\本站点\工件y+4;
=140&
155）
=155&
180）
{\\本站点\机械手y=\\本站点\机械手y-4;
=180&
230）
{\\本站点\机械手x=\\本站点\机械手x-2;
if（\\本站点\次数a==230）
{\\本站点\次数a=0;
把“运行时”命令语言程序执行的周期设置为100ms。
每一项设计任务完成后，注意保存所作修改。
10．调试运行
（1）为了便于调试，在初级画面上增加了部分变量的标签和的变量数据显示文本，以便运行时需观察变量的变化和机械手的动作。
（2）双击工程浏览器“系统配置”大纲下的“设置运行系统”成员项，弹出“设置运行系统”对话框，选择“主画面配置”页面，选择“初级画面”作主画面；
然后单击“特殊”页面，将运行系统基准频率和事件变量更新频率均设置为100ms，点击“确定”按钮，完成运行系统的配置。
（3）在工程浏览器中点击快捷工具栏的“切换到运行系统”按钮或在初级画面点击文件菜单下的“切换到view”菜单项，进入组态王运行系统。
（4）按下“初级画面”的“启动”按钮，可以观察到机械手按控制要求的运行过程，如图11所示。
（5）按下“停止”按钮，机械手停止运行。
（6）如果机械手动作与控制要求不一致，则需要综合分析问题出现的原因，并根据具体情况作出处理。
五、利用组态软件控制PLC实现简易机械手仿真教学
1．新建一个画面，名称设置为“简易控制”；
2．将初级画面的图形全部拷贝到“简易控制”画面；
3．在画面上增加6个指示灯和标签；
4．为了与外部设备关联，配置一台三菱的PLC；
选择工程浏览器的“设备”大纲下的“COM1”成员项，双击目录显示区的新建图标，弹出设备配置向导，根据设备配置向导的指引，将三菱FX2N系列的PLC配置在COM1端口。
5.定义放松阀、夹紧阀、下移阀、上移阀、右移阀、左移阀等变量，并分别与PLC的Y0~Y5相关联；
再增加运行标志b、次数b等内存变量；
6．设置好“简单控制”画面机械手图形对象的动画连接；
7．设置6个指示灯与PLC变量间的动画连接；
8．设计按钮的命令语言程序；
9．设计“简单控制”画面的画面命令语言程序，程序清
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