組態(tài)軟件WinCC與S7-PLCSIM 在PLC教學(xué)中的應(yīng)用

許仙珍，單長考

（常熟理工學(xué)院，電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

組態(tài)軟件WinCC與S7-PLCSIM 在PLC教學(xué)中的應(yīng)用

許仙珍，單長考

（常熟理工學(xué)院，電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

針對PLC教學(xué)中缺少工業(yè)背景、直觀性差等問題，將組態(tài)仿真技術(shù)引入PLC教學(xué)，構(gòu)建仿真教學(xué)系統(tǒng).仿真系統(tǒng)開發(fā)主要包括組態(tài)界面設(shè)計(jì)和PLC編程兩個部分.通過WinCC組態(tài)軟件與PLCSIM仿真軟件連接與通訊，可以直觀地模擬各類工業(yè)對象的控制過程.應(yīng)用結(jié)果表明，組態(tài)仿真技術(shù)與PLC教學(xué)結(jié)合能極大地豐富教學(xué)內(nèi)容和增強(qiáng)教學(xué)生動性，從而取得較好的教學(xué)效果.

PLC教學(xué)；組態(tài)軟件；仿真；WinCC

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型自動控制裝置，它具有功能強(qiáng)、可靠性高、易于編程等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電力、化工、造紙等眾多行業(yè).隨之，《PLC控制技術(shù)》已成為電氣類、自動化類專業(yè)的一門必修課[1-4].我校也一直將其作為重點(diǎn)課程來建設(shè)，教學(xué)內(nèi)容涉及三菱FX2系列和西門子S7系列，以S7系列PLC為主.

PLC課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，與工程實(shí)際聯(lián)系密切.PLC的控制功能只憑理論分析是很難體現(xiàn)出來的，要想將抽象技術(shù)知識形象生動地傳授給學(xué)生，則需要在教學(xué)過程中借助于實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)應(yīng)用實(shí)例并給予學(xué)生充分的訓(xùn)練.近幾年來學(xué)校建立了西門子實(shí)驗(yàn)中心，各配置了十幾套S7-300和S7-200實(shí)驗(yàn)裝置，滿足了實(shí)踐教學(xué)的需要.但教學(xué)中仍存在一些問題：1）目前實(shí)驗(yàn)方式都采用PC+PLC+對象的方式，控制效果由對象模塊來體現(xiàn).但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置中的各個控制對象多采用教學(xué)儀器廠（或自制）的模擬模塊來代替，一般只用指示燈來指示通斷狀態(tài)，缺少運(yùn)動部分，不夠直觀；2）該課程大部分課時是理論教學(xué)，在多媒體教室進(jìn)行.由于缺少硬件設(shè)備，講解典型實(shí)例時無法現(xiàn)場加以演示，學(xué)生難以對控制系統(tǒng)要求和控制性能有較好的感性認(rèn)識，3）學(xué)生多，設(shè)備少，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置難以給學(xué)生提供足夠的操作時間.

問題的關(guān)鍵在于PLC控制對象，若能用計(jì)算機(jī)全真模擬被控對象，則可利用有限設(shè)備及多樣化的程序豐富教學(xué)的內(nèi)容和直觀性.本文將組態(tài)仿真軟件引入PLC教學(xué)，利用組態(tài)軟件可以仿真多種PLC控制對象與各種工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，并以動畫形式在PC機(jī)上展現(xiàn)，使得教學(xué)內(nèi)容更加豐富、生動、直觀；而仿真軟件可以代替PLC硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種控制功能，以避免硬件上的限制.西門子公司推出的WinCC組態(tài)軟件集成了數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、組態(tài)、腳本語言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，是SIMATIC全集成自動化系統(tǒng)的重要組成部分.它具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全[3，5].可用來開發(fā)PLC仿真控制對象.

1 仿真系統(tǒng)組成

仿真系統(tǒng)采用上位機(jī)+下位機(jī)的構(gòu)成方式，上位機(jī)為普通的PC機(jī)，安裝WinCC V6.0與西門子編程軟件STEP7-MicroWIN V4.0，下位機(jī)為西門子S7系列PLC.若在課堂教學(xué)，則下位機(jī)采用PLCSIM仿真軟件代替.上位機(jī)與下位機(jī)的通訊可采用多種方式，如MPI、PROFIBUS DP、OPC等.WinCC組態(tài)軟件通過通信接口監(jiān)控PLC所有存儲器及I/O接口的狀態(tài)，以變量值的形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，供人機(jī)界面組態(tài)與顯示.

2 仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

利用WinCC組態(tài)軟件可以仿真多種PLC控制對象.被控對象的工藝流程和動態(tài)顯示通過組態(tài)軟件畫面組態(tài)實(shí)現(xiàn).WinCC可以接受多種由PLC（仿真軟件）發(fā)出的狀態(tài)信號和數(shù)值信號，按照程序算法以動畫、數(shù)值、文字等形式在畫面上顯示；也可通過按鈕、I/O域等形式向PLC發(fā)出各種命令和輸出各種參數(shù)，以配合PLC控制，反映PLC與模擬被控對象及控制結(jié)果之間的關(guān)系.要使畫面中仿真控制對象能夠生動、逼真地運(yùn)動或顯示，在組態(tài)軟件中需定義一些內(nèi)部變量，與外部變量相配合，通過各種組態(tài)方式驅(qū)動畫面.

在教學(xué)中，學(xué)生既可將計(jì)算機(jī)看作“被控對象”，用PLC對其進(jìn)行控制；又可在屏幕上以動畫形式直觀看到程序的執(zhí)行結(jié)果.這有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的參與意識.仿真系統(tǒng)具體實(shí)施過程如下：

1）在SIMATIC管理器中生成項(xiàng)目，編寫PLC控制程序.

2）設(shè)置PG/PC接口，將控制程序下載到PLC或仿真PLC.

3）在WinCC管理器中生成項(xiàng)目，建立和編輯反映被控對象動作過程的監(jiān)控畫面.

4）組態(tài)變量，建立WinCC與PLC或PLCSIM的通訊連接.

5）運(yùn)行控制系統(tǒng)，觀察控制效果.

3 應(yīng)用實(shí)例

下面以簡單的三節(jié)皮帶運(yùn)輸機(jī)為例來說明組態(tài)仿真軟件在PLC教學(xué)中的應(yīng)用.

3.1 控制要求分析

三節(jié)皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)中，1#、2#和3#皮帶分別由電動機(jī)M1、M2和M3拖動，給料機(jī)閘門L由電磁閥Y控制，Y得電，料門L打開；反之，料門L關(guān)閉.PLC的控制要求如下[3]：

1）逆物流方向的順序起動控制

按下起動按鈕，3#皮帶機(jī)先起動；延時3秒后2#皮帶機(jī)自起動；再過3秒，1#皮帶機(jī)自起動，同時料門L打開，起動過程結(jié)束.

2）順物流方向順序停車控制[3]

按下停止按鈕，關(guān)閉料門L；5秒后，停止1#皮帶機(jī)；再延時5秒，2#皮帶機(jī)自動停止；再過5秒，3#皮帶機(jī)停止，停車過程結(jié)束.在起動過程中，若按下停止按鈕，則將已起動的傳輸帶停止，停車過程仍采用后起動的皮帶機(jī)先停止的原則.

3.2 編寫控制程序

根據(jù)控制要求編寫PLC程序，圖1是三節(jié)傳輸帶的順序功能圖.在STEP7中創(chuàng)建項(xiàng)目、組態(tài)硬件、設(shè)置CPU參數(shù)，并編寫OB100和OB1程序代碼.

圖1 三節(jié)傳輸帶順序控制圖

程序輸入完畢后，將它下載到PLC或仿真PLC中.因?yàn)槭窃诶碚撜n上演示，本例采用的是仿真PLC.打開PG/PC接口對話框，選用PLCSIM（MPI）接口，然后在SIMATIC管理器中下載所有程序塊到仿真PLC.在PLCSIM中創(chuàng)建所需監(jiān)控的視圖對象，如圖2所示.

圖2 S7-PLCSIM窗口

表1 WinCC外部變量

圖3 過程控制畫面

3.3 通訊連接與外部變量定義

啟動WinCC并創(chuàng)建一個新項(xiàng)目.在變量管理器中添加一個新驅(qū)動“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”.選中該驅(qū)動下的MPI項(xiàng)，右擊鼠標(biāo)選擇“新驅(qū)動程序的連接”，在彈出的“連接屬性”對話框中，輸入連接名稱為“PLC1”，點(diǎn)擊屬性按鈕，打開“連接參數(shù)”對話框，在對話框中指定PLC控制器的站地址、機(jī)架號、插槽號等，完成WinCC與PLC間通過MPI通訊口的連接設(shè)置.在建立的連接“PLC1”中可以添加外部變量，本例中的新建的外部變量如表1所示.

3.4 畫面設(shè)計(jì)與組態(tài)

在WinCC管理器窗口，打開“圖形編輯器”，創(chuàng)建三節(jié)傳輸帶的監(jiān)控畫面，如圖3所示，按照直觀、動態(tài)、形象的原則組態(tài)控制對象的動態(tài)屬性.

3.5 項(xiàng)目運(yùn)行

在完成以上操作后，在仿真PLC窗口中，將PLC的CPU置于RUN-P模式，此時M0.0的單選框出現(xiàn)符號“√”，表示M0.0狀態(tài)為1，系統(tǒng)已進(jìn)入初始步.然后激活WinCC項(xiàng)目.WinCC運(yùn)行窗口出現(xiàn)三節(jié)傳輸帶運(yùn)行畫面.

按下畫面中的起動按鈕，3#皮帶機(jī)的兩端輪子動態(tài)旋轉(zhuǎn)，表示3#傳輸帶開始起動，如圖3（a）所示，同時在上方中間位置會出現(xiàn)一行藍(lán)色文字“傳輸帶起動中……”，提示系統(tǒng)正在起動過程中.過3秒，2#傳輸帶兩端旋轉(zhuǎn)，再延時一段時間，1#傳送機(jī)旋轉(zhuǎn)起動，同時與料門L對應(yīng)的紅色變?yōu)榫G色，表示料門L打開.此時，起動提示文字消失，起動過程結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，如圖3（b）所示.

點(diǎn)擊畫面上的停止按鈕，料門L關(guān)閉，顏色變?yōu)榧t色；延時一段時間后，1#傳輸機(jī)停止轉(zhuǎn)動；再延時一段時間，2#傳輸帶停止轉(zhuǎn)動，如圖3（c）所示；如此依次停止，直到所有傳輸帶順序關(guān)閉.

如果同時監(jiān)控過程畫面和PLCSIM窗口視圖，則會發(fā)現(xiàn)對象狀態(tài)的變化是一致的.這樣更便于學(xué)生了解程序步轉(zhuǎn)換狀態(tài)與被控對象的對應(yīng)關(guān)系，以及變量數(shù)據(jù)的傳遞關(guān)系.

4 結(jié)束語

WinCC組態(tài)軟件提供了良好的人機(jī)界面，可進(jìn)行整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理.它所提供的豐富圖庫和標(biāo)準(zhǔn)對象為多種工業(yè)過程或被控對象的場景開發(fā)提供了極大的便利.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用組態(tài)軟件既可以使被控對象更加逼真，增強(qiáng)臨場感；又可以開發(fā)更多應(yīng)用實(shí)例，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.理論教學(xué)中，利用組態(tài)軟件和仿真軟件對PLC控制項(xiàng)目進(jìn)行仿真模擬，可以直觀監(jiān)控PLC的整個控制過程，測試PLC控制程序的正確與否. WinCC組態(tài)軟件和PLC及PLCSIM軟件的有機(jī)配合使用，有助于加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)質(zhì)量.

另外，這種基于組態(tài)軟件和仿真軟件的教學(xué)方法，可以在同一臺電腦上利用WinCC軟件和STEP7程序進(jìn)行通訊，完全可以脫離硬件而進(jìn)行程序演示或調(diào)試.現(xiàn)在學(xué)生電腦的普及率很高，只要安裝了相應(yīng)軟件，學(xué)生就可以脫離實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作練習(xí)，從而增加學(xué)生動手操作和訓(xùn)練的機(jī)會.

[1]匡宇國.MCGS組態(tài)軟件技術(shù)在PLC教學(xué)中的交互應(yīng)用研究[J].教育探索，2007（12）：136-137.

[2]劉美蘭.PLC控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23（2）：26-27.

[3]寧玉珊.WinCC工控軟件在S7程序仿真調(diào)試中的應(yīng)用[J].南方金屬，2008，161：28-30.

[4]廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]劉華波，王雪，何文雪，等.組態(tài)軟件WinCC及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Application of WinCC Configuration Software and S7-PLCSIM in PLC Teaching

XU Xian-zhen,SHAN Chang-kao
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Considering the problems of lacking industrial background,poor intuition,etc.,configuration and simulation technologies are introduced into the PLC teaching in this paper to construct simulation teaching system. The development of simulation system mainly includes configuration interface design and PLC programming.A variety of industrial control processes can be simulated visually by the connectivity and communication between WinCC configuration software and PLCSIM simulation software.The application results show that combination of configuration and simulation technology with PLC teaching can greatly enrich the teaching content and enhance teaching intuition,so as to achieve better teaching results.

PLC teaching;configuration software;simulation;WinCC

TP273；G642.0

B

1008-2794（2012）10-0104-04

2012-09-13

校級教改項(xiàng)目“基于西門子自動化平臺的校企合作課程建設(shè)研究”（JX11012118）

許仙珍（1976—），女，浙江天臺人，講師，碩士，研究方向：先進(jìn)自動化控制技術(shù)與復(fù)雜工業(yè)過程監(jiān)控．