摘 要：PLC的教学枯燥难懂，学生对编制出来的程序能否执行没有成就感。利用“组态王6.51”这款人机界面软件，结合三菱FX2N系列PLC设计出十字路口的交通灯监控系统，形象直观，对于学生学习PLC程序的编制有很好的教学意义。
关键词：组态王；PLC；交通灯；程序设计
本人在学校工作，长期进行高职班PLC等课程的教学。在指导学生编制PLC程序时发现，如果仅仅在课堂授课，讲授顺序指令，学生很难听懂，更谈不上顺利地编写程序和调试、接线等技能的培养。而采用组态王这种模拟现场的动画软件来组织实施PLC顺序指令的学习，非常形象直观，学生既学习了理论知识，又结合实际工艺现场实践，取得很好的教学效果。本文以十字路口交通灯监控系统为例，来说明组态王在PLC课程教学中的应用。
道路十字路口是交通网中通行能力的“隘口”和交通事故的“多发源”。据调查统计，国内外城市的公路交通事故约有一半发生在十字路口，城市中的交通事故约有70%发生在十字路口及其附近。因此，设计适应各种需要的交通信号灯，对缓解交通阻塞，提高畅通率具有十分现实的意义。对于学生学习PLC程序的编制更有很好的教学意义。
一、组态王介绍
“组态王6.51”是运行于中文平台上全中文界面的人机界面软件，窗体框架结构，界面直观，易学易用。它采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。该软件包有工程管理器、工程浏览器、画面开发系统和运行系统四部分
组成。
工程管理器：它是计算机内所有应用工程的统一管理环境。
它具有很强的管理功能，可用于新工程的创建及删除，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据词典的导入和导出等功能。
工程浏览器：它是应用工程的设计管理配置环境，进行应用工程的程序语言的设计、变量定义管理、连接设备的配置、开放式接口的配置、系统参数的配置、WEB发布管理、第三方数据库的管理等。
画面开发系统：它是应用工程的开发环境。就是在这个环境中完成画面设计、动画连接、程序编写等工作。它具有先进完善的图形生成功能；数据词典可以提供多种数据类型，能合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能进行简捷的操作。
运行系统：它是“组态王6.51”软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立的图形画面，只有在运行系统中才能实时反应现场的运行情况。它负责在控制设备中采集数据，并存在于实时数据库中。它还负责把数据库的变化以动画的方式形象地表示出来，同时可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视、存储功能，并按实际需求记录到历史数据中。
组态王作为一个开放型的通用工业监控系统，支持工控行业中的大部分的国内常见的测量控制设备，遵循工控行业的标准，采用开放接口，提供第三方软件的连接，用户无须关心复杂的通信协议代码、无须编写大量的图形生成、数据统计处理程序代码就可以方便快捷地进行设备的连接、画面的开发、简单程序的编写从而完成一个监控系统的设计。
二、设计过程
1.系统控制要求
十字路口信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。南北红灯亮持续25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮持续30秒。南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。
2.I/O分配（略）
3.工作过程
当启动开关SD合上时，X000触点接通，Y002得电，南北红灯亮；同时Y002的动合触点闭合，Y003线圈得电，东西绿灯亮。1秒后，T12的动合触点闭合，Y007线圈得电，模拟东西向行驶车的灯亮。维持到20秒，T6的动合触点接通，与该触点串联的T22动合触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使东西绿灯闪烁。又过3秒，T7的动断触点断开，Y003线圈失电，东西绿灯灭；此时T7的动合触点闭合、T10的动断触点断开，Y004线圈得电，东西黄灯亮，Y007线圈失电，模拟东西向行驶车的灯灭。再过2秒后，T5的动断触点断开，Y004线圈失电，东西黄灯灭；此时起动累计时间达25秒，T0的动断触点断开，Y002线圈失电，南北红灯灭，T0的动合触点闭合，Y005线圈得电，东西红灯亮，Y005的动合触点闭合，Y000线圈得电，南北绿灯亮。1秒后，T13的动合触点闭合，Y006线圈得电，模拟南北向行驶车的灯亮。又经过25秒，即起动累计时间为50秒时，T1动合触点闭合，与该触点串联的T22的触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使南北绿灯闪烁；闪烁3秒，T2动断触点断开，Y000线圈失电，南北绿灯灭；此时T2的动合触点闭合、T11的动断触点断开，Y001线圈得电，南北黄灯亮，Y006线圈失电，模拟南北向行驶车的灯灭。维持2秒后，T3动断触点断开，Y001线圈失电，南北黄灯灭。这时起动累计时间达5秒钟，T4的动断触点断开，T0复位，Y003线圈失电，即维持了30秒的东西红灯灭。上述是一个工作过程，然后再周而复始地进行。
4.梯形图程序（略）
5.组态画面设计
第一，新建工程。启动“组态王”工程管理器。首先创建工程路径，选择菜单“文件＼新建工程”或单击“新建”按钮，弹出新建工程向导；单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二对话框”。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径为：C：＼program files＼kingview＼ dynamos＼**的模拟实验台。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”。在工程名称文本框中输入工程的名称：**的模拟实验台，在工程描述文本框中输入描述文字为：使用组态王进行模拟实验台设计，单击“完成”。 第二，设备连接。利用PLC与计算机专用的F2-232CAB型
RS232C电缆，将PLC通过编程口与上位计算机串口（COM口）连接，进行串行通讯。串行通讯方式使用“组态王计算机”的串口，I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。
第三，设备配置。在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备”大纲项下PLC与上位计算机所连串口（COM口），进行参数设置。根据设备配置向导就可以完成串口设备的配置，操作步骤如下：
（1）在工程浏览器的目录显示区，用鼠标左键单击大纲项设备下的成员COM1或COM2，则在目录内容显示区出现“新建”图标，选中“新建”图标后用左键双击，弹出“设备配置向导”对话框，设备选择PLC，生产厂家：三菱，设备名称：FX2N，通讯方式：串行。
（2）单击“下一步”按钮，则弹出如下设备配置向导对话框，给要配置的串口设备指定一个逻辑名称：新IO设备。
（3）继续单击“下一步”按钮，则弹出如下设备配置向导对话框，与设备连接的串口选择：COM2。
（4）继续单击“下一步”按钮，则弹出如下设备配置向导对话框，串口设备指定设备地址设置为1。
（5）继续单击“下一步”按钮，则弹出如下设备配置向导对话框。
（6）不修改通讯参数，单击“下一步”按钮，则弹出如下设备配置向导对话框，单击“完成”按钮，则工程浏览器设备节点处显示已添加的串口设备。
第四，构造数据库。数据库是“组态王”软件的核心部分。在工程浏览器的目录显示区中，用鼠标单击大纲项数据库下的成员数据词典，则在右边的目录内容显示区中列出了数据词典里的所有变量（包括组态王系统变量和用户自定义变量）的简要信息，包括变量名、ID号、变量类型、连接设备、寄存器。在工程管理器中，选择“数据库＼数据词典”，双击“新建图标”，弹出“变量属性”对话框。
新建的变量（略）。
第五，设计图形界面并建立动画连接。在组态王“画面”上创建十字路口红、黄、绿交通信号灯的控制示意图，具体步骤如下：
（1）在工程浏览器的目录显示区中，双击“画面”图标，再双击“新建”图标，将新建的画面命名为：十字路口交通灯模拟控制，点击“确定”。
（2）建立启动和停止按钮，分别双击，选定它们对应的变量，点击“确定”。
（3）使用工具箱，在该画面上输入画面的名称：十字路口交通灯模拟控制。按F2键，打开图库，将信号灯复制粘贴，做成东西南北四个方向的红黄绿灯，同时在它们旁边标注其名称，然后分别双击这些红绿灯，设定它们分别对应的变量Y0-Y5，同时设定它们的正常工作颜色与报警颜色，设定之后点击“确定”。（注意：东西方向、南北方向的红黄绿灯它们对应的同颜色的灯对应的变量相同）
（4）在画面上用工具箱中的画线功能画出模拟的十字路口，在画面的空白处绘制本实验面板中的左面部分即画面的注释部分。
（5）在画面上的工具箱中点击“点位图”图标，再在画面上空白处做一个大小适中的点位图，再在点位图上单击右键，选择“从文件中加载”，再将已经准备好的小车画面从桌面中调入到开发系统中，将其大小调节适当后，复制四份，作为向四个方向行驶的小车，分别将它们设置在适当的位置，并双击它们，进行动画连接：分别点击“水平移动”和“垂直移动”，在弹出的对话框中，先选择它们分别对应的变量：控制速度、控制速度1。再分别根据小车的具体开往方向决定向左右移动还是上下移动，以及移动距离的大小：以向北行的小车为例，移动距离向上600，下行0，对应值最上面600，最下面0，点击“确定”。
（6）在画面的任意处单击右键，选择“画面属性”，弹出对话框，点击“命令语言”，将时间设定为500ms，输入事先编好的命令语言程序，点击“确定”。
（7）在画面的右下角建立一个按钮，注明：退出，双击它，点击“命令语言”，在函数中选择“Show picture”函数，将“picture name”设为“模拟实验台”，点击“确定”。
（8）再次确定一下是否有变量设定错误，以及动画连接是否有错误，若没有，则点击“文件”中的“全部存”。详细图形见组态王软件系统。
第六，系统运行。在工程管理器的右边的目录内容显示区中单击鼠标右键，则弹出浮动式菜单，点击“切换到View”，系统则进入运行状态，运行交通信号灯的控制。将PLC开关指向“RUN”状态，按下启动按钮，观察交通信号灯系统的控制结果。最后的实验结果表明，系统运行正常，动画效果良好。
6.交通信号灯控制的设计实际效果图
十字路口交通灯控制效果图（略）。
7.模拟脚本设计（命令语言程序）（略）
三、结论
本文以十字路口交通灯系统作为控制对象，设计开发了基于三菱FX2N系列PLC和“组态王6.51”的交通灯监控系统。在组态王控制界面上显示出了十字路口的交通灯运行情况，让交通灯运行时间的减计数并在编程中给出了减计数的实现思想和方法。同时，在窗口界面上用动画的方式模仿了实际车辆在交通路口可能的运行方式，从而使得整个系统的设计更加合理、更形象直观。学生在学习和设计时，也可以简单直观地发现问题，得出结果。实际运行也表明，运用组态王与PLC设计的十字路口交通灯控制界面，人机界面友好直观、取代了传统的控制柜和模拟屏显示的工艺流程，使开发周期缩短，系统运行可靠、灵活，易于扩展，对于其他自动化监控系统的开发具有很强的借鉴意义。
不足之处在于：各个模拟设计在软件调试的时候经常会发生画面不按照命令语言正常运行的情况，经检查发现，每次运行之前只要将要运行的画面重新存储一次，就可以避免这种情况再次发生。而且，不同画面的变量在数据库中可以共用一个变量，这样就节省了很多不必要的新建变量，更重要的是可以节省宝贵的时间。
参考文献：
[1]马国华.监控组态软件及其应用.北京：清华大学出版社，2001.
[2]王玉中.电气控制及PLC应用技术.河南：河南科学技术出版社，2006.
[3]陈胜利，曾谊晖.PLC在控制交通信号灯中的应用[J].机电一体化，2003.
[4]王春生.基于组态王的PLC教学系统[J].计算机及信息技术，2009.
（作者单位 江苏省宿迁中等专业学校）
