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　　Abstract: in order to enhance the students’ ability of the PLC application, a corresponding experimental training platform based on the various functions of the new CP1H Omron PLC is developed, which forms a complete training system, from simple to complex, from single PC to network.

　　Key words: programmable logic controller, laboratory experiment

　　1 引言

　　可編程序控制器的應(yīng)用和發(fā)展非常快,從只有基本數(shù)字輸入輸出到現(xiàn)在的模擬量、網(wǎng)絡(luò)通信等高性能的PLC不斷出現(xiàn)。很多高校的原有老款可編程序控制器已不能適應(yīng)市場發(fā)展的要求，實(shí)驗(yàn)箱也是封閉的形式，實(shí)踐說明這種方式不利于學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了提高學(xué)生的對PLC的應(yīng)用能力, 使得所學(xué)知識也能已企業(yè)應(yīng)用接軌，2007年初電子工程系電子實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心PLC實(shí)驗(yàn)室引入OMRON較新型的CP1H可編程控制器。CP1H可編程序控制器是OMRON公司為了滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的高性能、高集成度以及提高維護(hù)性能的需求推出的全新的具有高度擴(kuò)展性的小型一體化可編程控制器(PLC)——SYSMAC CP1H，主要包括CP1H-X(標(biāo)準(zhǔn)型)、CP1H-XA(模擬量內(nèi)置型)和CP1H-Y(高速定位型)這3種型號。電子實(shí)驗(yàn)室共引進(jìn)CP1H-XA(模擬量內(nèi)置型)25套、2套中型系列的機(jī)器,以及相關(guān)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。結(jié)合歐姆龍新型的CP1H 可編程序控制器的豐富功能開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺, 形成了簡單到復(fù)雜，單機(jī)到網(wǎng)絡(luò)的完整的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

　　2 CP1H 基本功能

　　CP1H-XA型CPU單元的基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

　　   
               a) 正面                               b) 側(cè)面

　　圖1 XA型CPU單元的基本結(jié)構(gòu)

　　CP1H各部分主要功能介紹如下：

　　(1)CPU單元內(nèi)置24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出。其中CP1HXA40DT-D型為晶體管輸出(漏型)，CP1HXA40DT1-D型為晶體管輸出(源型)。CP1HXA40DR-A型為繼電器輸出。

　　(2)晶體管輸出類型除用作普通輸出外，還可以用4軸脈沖輸出;從CPU單元內(nèi)置輸出中發(fā)出固定占空比脈沖輸出信號，并通過脈沖輸入的伺服電動機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行定位/速度控制。X/XA型脈沖輸出分1Hz～100kHz和1Hz～30kHz兩種。Y型脈沖輸出分1Hz～1M Hz和1Hz～30kHz兩種。可進(jìn)行三角控制、定位中可變更定位目標(biāo)位置、可在速度控制中向定位變更、可在加速或減速中變更目標(biāo)速度或加減速比率、可發(fā)出可變占空比脈沖輸出信號等。

　　(3)輸入實(shí)現(xiàn)4軸高速計數(shù);在內(nèi)置輸入上連接旋轉(zhuǎn)編碼器，可進(jìn)行高速脈沖輸入。通過與高速計數(shù)器當(dāng)前值相符的目標(biāo)值一致或區(qū)域比較中斷可進(jìn)行高速處理。通過PRV指令，可測定輸入脈沖的頻率(僅1 點(diǎn))。可進(jìn)行高速計數(shù)器的當(dāng)前值的保持/更新的切換。作為計數(shù)器模式，可選擇4種輸入信號：X/XA 型的高速計數(shù)器：相位差輸入(4 倍頻)50kHz;脈沖+方向輸入100kHz;加減法脈沖輸入100kHz;加法脈沖輸入：100kHz。

　　作為計數(shù)器值的復(fù)位方式，可選擇Z相信號+軟復(fù)位、軟復(fù)位。

　　(4)置模擬4點(diǎn)電壓/電流輸入、2點(diǎn)模擬電壓/電流輸出，分辨率6000、12000可選;XA型的CP1H CPU 單元內(nèi)置模擬輸入4點(diǎn)及模擬輸出2點(diǎn)。分辨率分為1/6000或1/12000兩種。輸入/輸出分別可選擇：0～5V、1～5V、0～10V、-10～10V、0～20mA、4～20mA等五種方式。

　　(5)通過擴(kuò)展CPM1A系列的擴(kuò)展I/O單元，CP1H經(jīng)擴(kuò)展整體可以達(dá)到最大320點(diǎn)的輸入輸出;通過擴(kuò)展CPM1A系列的擴(kuò)展單元，也能夠進(jìn)行功能擴(kuò)展(溫度傳感器輸入等);

　　(6)通過安裝選件板，可進(jìn)行RS-232C通信或RS-422A/485通信(PT、條形碼閱讀器、變頻器等的連接用)，通過擴(kuò)展CJ系列高功能單元，可擴(kuò)展向高位或低位的通信功能等，如圖2所示;

　　圖2 使用串行端口通信

　　(7)7 段LED顯示在2位的7段LED上顯示CPU單元的異常信息，便于把握設(shè)備運(yùn)行中的故障狀態(tài)，提高維護(hù)時的人機(jī)界面性能。它能顯示單元版本、CPU單元發(fā)生中異常的故障代碼、CPU單元與存儲盒間傳送的進(jìn)度狀態(tài)、模擬電位器值的變更狀態(tài)、通過梯形圖程序上的專用顯示指令，顯示用戶定義的代碼等

　　(8)模擬電位器操作功能。通過用螺絲刀旋轉(zhuǎn)CP1H CPU單元的模擬電位器，可將特殊輔助繼電器(A642 CH)的當(dāng)前值在0～0255 的范圍內(nèi)自由地變更。

　　(9)中斷功能

　　中斷與循環(huán)掃描不同，根據(jù)特定要素的發(fā)生，可以在該掃描周期的中途中斷，使其執(zhí)行特定的程序，這種功能稱為中斷。CP1H具有輸入中斷(直接模式)、輸入中斷(計數(shù)器模式)、定時中斷、高速計數(shù)器中斷、外部中斷等功能。

　　(10)快速響應(yīng)輸入功能

　　通過將CPU單元內(nèi)置輸入作為脈沖接收功能，與周期時間無關(guān)，可切實(shí)獲取到最小輸入信號寬度30μs的輸入。X/XA型最大可使用8點(diǎn)，Y型最大可使用6點(diǎn)。

　　3 CP1H 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計

　　3.1 PLC實(shí)驗(yàn)室硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　圖3 PLC實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)框架

　　鑒于CP1H功能強(qiáng)大，性價比高，也有較好的品牌效應(yīng)，我們實(shí)驗(yàn)室采用了25臺CP1H-XA40DT-D型PLC，附帶RS232模塊，RS485模塊，DEVICENET模塊以及作為上位機(jī)的CJ系列的兩套PLC構(gòu)建如圖3的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。DeviceNet是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，它在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設(shè)備的成本和時間。DeviceNet不僅僅使設(shè)備之間以一根電纜互相連接和通訊，更重要的是它給系統(tǒng)所帶來的設(shè)備級的診斷功能，該功能在傳統(tǒng)的I/O上是很難實(shí)現(xiàn)的。CONTROL LINK 是歐姆龍工業(yè)自動化的一種現(xiàn)場工業(yè)總線，通信速率快，通信距離遠(yuǎn)，可靠性高，主要實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間的通信的。

　　3.2 PLC實(shí)驗(yàn)室外圍配套硬件的設(shè)計

　　為了更好地結(jié)合課程，體現(xiàn)本課程的特色，每個PLC的外圍設(shè)備由電子實(shí)驗(yàn)室自己設(shè)計制作。共三個模塊即PWM控制電機(jī)調(diào)速模塊，普通I/O模塊，模擬量模塊。如圖4。

　　a) 模擬量單元            b)PWM及計數(shù)單元                     c)普通I/O單元

　　圖4 PLC外圍設(shè)備

　　此自制的設(shè)備硬件上主要特點(diǎn)打破原有實(shí)驗(yàn)箱的模式具有以下特點(diǎn)：

　　(1)只提供接線端子，與PLC的對接連線由使用者自己連接，提高同學(xué)隊(duì)硬件外圍連線的能力。如傳感器的連接，以往同學(xué)只會關(guān)心傳感器的地址就行了，不用關(guān)心與PLC的配接，現(xiàn)在必須考慮傳感器的輸出方式，PLC的輸入方式。

　　(2)地址自己定義，加深同學(xué)硬件連線與軟件編程的配合。而不是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上固定的地址，不用關(guān)心連接的位置，也不用考慮地址定義的合理性。實(shí)驗(yàn)時老師也可以對不同同學(xué)提出不同的地址要求，也可以防止同學(xué)抄襲程序。

　　(3)擴(kuò)展更加靈活，隨時可以加入新的設(shè)備。成本低。

　　(4)提高同學(xué)排除故障的能力，使得同學(xué)能全面考慮問題。比如連接線的故障造成的設(shè)備運(yùn)行不正常，排除軟件錯誤的同時必須考慮硬件的連接可靠。

　　3.3 PLC實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計

　　自制的設(shè)備在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層更具層次，結(jié)合CP1H的特點(diǎn)筆者考慮了以下類型的實(shí)驗(yàn):

　　普通I/O實(shí)驗(yàn)有：開關(guān)的輸入實(shí)驗(yàn);LED燈的點(diǎn)亮的實(shí)驗(yàn);繼電器的控制的實(shí)驗(yàn)等等。相對較高的控制要求：模擬量的輸入控制(包括算法);模擬量的輸出控制，(控制變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn));程序結(jié)構(gòu)的控制(順序控制，子函數(shù)調(diào)用等)。復(fù)雜的控制要求;通信的控制，(兩臺PLC之間的通信，PLC與PC之間的通信);PWM的應(yīng)用;高速計數(shù)的應(yīng)用。系統(tǒng)內(nèi)部字功能應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

　　雖然只有三個盒子但幾乎涵蓋了CP1H的所有功能，由淺入深，適合不同專業(yè)不同學(xué)時的要求。雖然每次實(shí)驗(yàn)會多化幾分鐘接線的時間，但卻大大加強(qiáng)了同學(xué)軟件結(jié)合硬件的應(yīng)用能力。

　　4 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺

　　實(shí)驗(yàn)(教學(xué))在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及相關(guān)的材料的基礎(chǔ)上已經(jīng)建立完成，教學(xué)在能安排的情況下都改到實(shí)驗(yàn)室上，投影儀加實(shí)驗(yàn)設(shè)備邊講邊練習(xí)的效果會比兩者分開會好的多，比如講一條指令，在普通教室上得把語法講得再好也沒有在實(shí)驗(yàn)室操作一下動動手的效果好。

　　實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(課程設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計)目前主要圍繞網(wǎng)絡(luò)控制，及電梯模型，機(jī)械手模型來展開。相對控制要求增加，有實(shí)物作為控制對象，實(shí)驗(yàn)典型的控制目的。

　　在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上我們同歐姆龍中國有限公司建立PLC考評系統(tǒng)(歐姆龍聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室)

　　使得我們能第一手掌握工控設(shè)備的相關(guān)資料，信息，同時可以實(shí)施對PLC相關(guān)的考評，頒發(fā)歐姆龍企業(yè)認(rèn)可的證書以及勞動部就業(yè)指導(dǎo)中心的證書。

　　5 結(jié)束語

　　PLC實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室建成近一學(xué)期，已有3個班在本學(xué)期開展了實(shí)驗(yàn)，有38位同學(xué)參加了歐姆龍PLC單機(jī)自動化編程培訓(xùn)，以及多位同學(xué)選擇了幾個相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計課題。同學(xué)起初對要求自己連線做實(shí)驗(yàn)不太適應(yīng)，但從最后的實(shí)驗(yàn)考試，培訓(xùn)測評的結(jié)果來看，同學(xué)在軟件結(jié)合硬件的能力得到較大的加強(qiáng)。我們自制的設(shè)備運(yùn)行情況良好，為我們以后開發(fā)更好的配套設(shè)備打下了良好的基礎(chǔ)。

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　　作者簡介

　　張進(jìn)峰(1974.6-)男 實(shí)驗(yàn)師，研究方向：工業(yè)自動化。