“WinCC数据采集与监控”课程实践案例——智能交通灯监测项目设计.pdf

年 月计 算 机 应 用 文 摘第 卷 第 期“数据采集与监控”课程实践案例 智能交通灯监测项目设计王福杰，郭 芳，秦 毅，孙泽文，秦斐燕（东莞理工学院，广东 东莞）摘 要 文章基于智能制造 人才培养相关政策 依托东莞理工学院智能制造专业 针对目前在开设 数据采集与监控 课程过程中缺乏串接所有知识点的综合设计类案例 讲授知识点较为零散的问题 开展了课程案例设计研究 旨在引导学生通过案例融会贯通本课程中的实时数据采集 信息显示 设备控制等实际技能 从实战应用的角度培养专业人才 关键词 智能交通 数据采集 数据监控 上位机 教学案例中图法分类号 文献标识码 引言“中国制造”对各大高校的智能制造行业人才培养提出了更高的要求，如何培养出适应现代化生产的创新型复合人才成为目前亟须解决的难题。通过数据采集与监控（）系统可以收集生产现场产生的工业数据并实现数据可视化。同时，使用传感器数据确定对象的实时性能、操作条件、收发控制指令，可以为企业后期搭建功能更加强大的企业信息化平台提供基础，从而不断提高制造生产水平。因此，各大高校纷纷开设 软件课程，从实战应用的角度培养专业人才。在以往的“数据采集与监控”课程教学过程中，理论与实践部分联系不紧密，讲授的知识点较为零散，因此亟须推动项目案例设计课程改革，充分挖掘智能制造行业中的工程热点与基础问题，从而形成一套适合本科教育的、基于 组态软件的项目案例库，以培养学生的综合能力，为他们毕业后投身于智能制造行业打下坚实基础。为此，东莞理工学院联合西门子工业软件公司共同开设了“数据采集与监控”课程。系统、系统与生产设备交互打通智能制造业中企业层、管理层、操作层和现场控制层之间的通道。为了更好地建设本课程，积极采用项目式创新型教学法，引导学生通过案例融合本课程中实时数据采集、信息显示、设备控制等知识点，从而激发学生的学习兴趣。本文中的项目案例也可供其他高校 课程参考。案例设计要求与任务本案例作为“数据采集与监控”课程中的基金项目：广东省企业重点实验室（）；东莞理工学院质量工程项目（，）；东莞理工学院学位与研究生教育改革研究项目（）基础入门案例，目的在于让学生了解项目设计的总体流程，并激发学生的学习热情。因此，不宜将任务设置得过于复杂。将常见的十字路口交通灯系统作为对象并将西门子 作为底层控制设备，开展数据采集与监控项目设计。具体任务如下：（）使用组态软件 设计红绿灯的监控画面，两个方向均有红、绿、黄及左转灯，自行构建 画面，包括交通灯、小车、马路与周边环境等；（）编写 的控制程序，并联合 过程画面进行调试。具体要求如下：信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，后东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号熄灭。南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，在同时亮时应关闭信号灯系统并报警。南北红灯亮维持 。在南北红灯亮的同时东西左转绿灯也亮，并维持 ；东西左转绿灯亮后东西绿灯再亮，并维持 ，到 时，东西绿灯闪烁 后熄灭，在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持。到 时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。东西红灯亮维持 。南北绿灯亮维持 ，闪烁 后熄灭。同时，南北黄灯亮，维持 后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。图 本案例控制流程注：上述任务的要求与控制流程如图 所示。值得注意的是，这些任务也可作为 课程实验项目。本案例通过 与 的连接实现了十字路口交通灯的控制可视化以及生产现场中数据采集、信息显示、设备控制的常用功能。在讲解和分析该案例时，首先从实际交通灯控制问题入手，深入讲解 中定时器的应用技巧，并与 组态软件中的周期脚本做对比，从而激发学生对案例设计的积极性，同时只提供项目的控制流程图，最大限度地让学生自行设计 的过程画面，以锻炼学生的创新意识与解决问题的能力。值得注意的是，本项目基于实际案例设置南北交通灯与东西交通灯运行周期不一致，以更符合实际运行逻辑。过程画面设计与 程序设计 根据上述控制流程，首先进行 程序设计，然后设置 与 变量的 连接，以及 过程画面，通过可视化界面调试底层代码。编写 块代码，实现信号灯受一个起动开关控制。当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，后东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯熄灭。南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，在同时亮时应关闭信号灯系统并报警。此外，编写 块代码，通过周期振荡使南北红绿灯按照以下循环方式工作：红灯亮 左转绿灯亮 绿灯亮 绿灯闪烁 黄灯亮 。该部分梯形图如图、图 所示。根据相同原理设置东西红绿灯工作逻辑，将中间变量赋值输出，实现南北红绿灯、东西红绿灯正常工作。图 块代码 图 块代码 计 算 机 应 用 文 摘 年第 期接下来设置。西门子的 通信驱动程序除了支持和 之间进行基本变量读写通信外，还可以进行批量的数据传送。本项目通过 中的 连接 中的输入变量和输出变量，同时与 中的变量实现映射。然后通过 过程画面中的图形对象、按钮，以及标准对象中的圆、线、多边形和静态文本构建十字路口交通灯图形界面，并将信号灯与 中的变量进行关联，同时设置启动开关按钮的 语言脚本。系统运行的具体操作步骤如下：在 中新建项目，选择，采用以太网通信，设置硬件参数，并在 符号表中添加变量，启动 仿真界面下载编写好的程序以及 界面，最终系统运行能满足任务要求中的规定。图 中开关按钮的 语言代码如下：（，）（启动开关，！（启动开关）；图 组态界面根据上述步骤完成 与 的组态后，进行整体项目调试。（）测试信号灯的开关性能，通过点击“开关按钮”控制总体信号灯的运行；（）进行信号灯的“互斥”测试，确保南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，在它们同时亮时应关闭信号灯系统并报警；（）测试 底层代码的定时功能，确保南北红灯亮维持，在南北红灯亮的同时，东西左转绿灯也亮，并维持 。其他定时器的要求如图 所示，要求有准确的定时效果，各灯按照要求循环运行。当上述要求都满足时，即可判定该项目完成。根据实际的组态效果、过程画面的美观程度、梯形图的逻辑性等进行评分。注：作为“数据采集与监控”课程的基础入门案例，本案例并没有涵盖所有的知识点。它主要是在学生完成 课程后做界面组态的延伸，为学生进一步学习“数据采集与监控”课程奠定基础。对于已有一定组态基础的学生，可以添加报警处理、历史数据存储及显示（趋势）等功能，以提高学生的学习积极性。注：项目式创新型教学法是目前工科课程改革中的新方法，本案例可以作为“数据采集与监控”课程的入门项目引导学生自主学习，同时可以在此基础上添加数据库处理、集成网络发布、利用通信协议与多种设备进行数据交互以及与其他软件（如 制造执行系统）进行预处理生产数据等内容从而增加难度，提供新的案例。从生产实践与行业痛点出发，不断完善课程案例，并通过项目式创新型教学法推动该课程的教学改革。注：与其他同类型的 项目设计相比，本项目作为入门项目的优势在于：（）工艺流程简单，在读期间的本科生难以了解实际的工艺流程，交通灯是日常生活中较为常见的工业设备，以便学生将其代入实践；（）组态过程具有趣味性，学生在完成项目时可以通过二维图形进行 过程画面的组态，还可以通过 软件设计三维模型联动 进行模拟仿真。结束语基于“数据采集与监控”课程的教学内容，本文设计了十字路口交通灯监控系统和控制可视化系统，目前已将其作为该课程的入门项目应用于东莞理工学院智能制造专业的教学中，这个项目涵盖课程中 图形系统、报警信息系统、变量存档与数据处理、编程等知识点的融合，能有效提高学生理论联系实际的能力，可供其他高校参考。另外，本案例的实施得益于东莞理工学院智能制造专业 级、级学生在课堂内外的反馈意见。参考文献：任斌论智能制造技术人才培养的实验教学体系研究中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），（）：任斌地方应用型高校自动化专业人才培养研究和探索高教学刊，（）：焦波智能制造装备的发展现状与趋势内燃机与配件，（）：刘双虎，门峰，董方岐浅析我国汽车行业智能制造装备发展现状与挑战内燃机与配件，（）：作者简介：王福杰（），博士，讲师，研究方向：智能机器人系统与技术。年第 期 计 算 机 应 用 文 摘