基于組態(tài)仿真技術(shù)的紙機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任思璟， 李春華， 李忠勤

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

可編程控制器(PLC)是自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修課，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域[1-3]，為了適應(yīng)PLC日益廣泛的應(yīng)用形勢，近年來，許多高校都加強(qiáng)對PLC課程的重視程度，加大實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)，增加PLC實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí),經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，取得了較好的結(jié)果，但是仍有不足之處[4-5]。

1 存在的問題及解決途徑

(1) PLC課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，高校教師大部分都是畢業(yè)后就直接進(jìn)入學(xué)校，缺少工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，無法將工程實(shí)際與基礎(chǔ)理論相結(jié)合，講授過程中不能使學(xué)生掌握PLC在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用，不能真正解決實(shí)際問題[6]。

(2) 盡管多數(shù)高校在該課程中設(shè)有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但是訓(xùn)練的強(qiáng)度和真實(shí)度還是不夠，目前PLC實(shí)驗(yàn)大多涉及到被控對象(如電機(jī)、變頻器等)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如機(jī)床導(dǎo)軌、滑臺(tái)、機(jī)械手臂等)，出于成本的原因，都是采用發(fā)光二極管模擬實(shí)驗(yàn)效果，不能直觀、逼真地顯示PLC動(dòng)態(tài)控制過程，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和積極性自然也不高[7]。

隨著組態(tài)軟件及其技術(shù)的發(fā)展，把PLC與組態(tài)控制結(jié)合起來，即將組態(tài)仿真技術(shù)應(yīng)用于PLC教學(xué)，通過PLC和控制對象模型之間的通訊，完全虛擬出整個(gè)工程過程，該類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成本低，解決了購置實(shí)際被控對象需要大量的資金，同時(shí)存在占用空間面積大、不能及時(shí)更新等問題[8]，也避免實(shí)際對象在工作過程中的移動(dòng)、升降和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作的危險(xiǎn)性，提高了安全系數(shù)。

本文研究了一種基于組態(tài)軟件監(jiān)控的紙機(jī)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，通過傳感器測量各項(xiàng)參數(shù)(轉(zhuǎn)速、溫度、壓力)，利用PLC的A/D模塊將傳感器輸出的模擬量信號(hào)進(jìn)行采集后，與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊[9-10]，組態(tài)軟件以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、實(shí)時(shí)曲線等多種方式向用戶虛擬顯示整個(gè)實(shí)際生產(chǎn)過程，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)周期短且符合工業(yè)現(xiàn)場情況[11-13]。

2 紙機(jī)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

造紙機(jī)主機(jī)的5個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)(網(wǎng)部，壓榨，干燥，壓光，卷紙)由5臺(tái)交流電機(jī)拖動(dòng)，交流電機(jī)由ABB變頻器調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)，變頻器輸出的頻率即對應(yīng)電機(jī)相應(yīng)的速度。該系統(tǒng)的控制采用PLC作為控制核心，根據(jù)烘缸溫度的變化狀況來控制主電機(jī)的速度，并采用組態(tài)軟件作為上位機(jī)，其主要功能有：啟動(dòng)/停止變頻器、控制下料閥門的開度、顯示變頻器的輸出頻率、車速、烘缸溫度等。本設(shè)計(jì)的紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)采用多級(jí)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。由上位機(jī)、操作臺(tái)、PLC、變頻器和電機(jī)組成一套自動(dòng)控制系統(tǒng)[14]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)第一級(jí)為驅(qū)動(dòng)級(jí)，采用ABB變頻器實(shí)現(xiàn)對變頻交流電機(jī)的速度及紙帶張力等參數(shù)的控制。

第二級(jí)為PLC控制系統(tǒng)，采用西門子S7-300可編程控制器通過指令程序完成紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的速度控制、負(fù)荷分配控制和定時(shí)控制等。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC控制器從輸入模塊獲得信息，通過程序運(yùn)算后之后，將結(jié)果傳達(dá)給變頻器。

第三級(jí)為上位機(jī)操作系統(tǒng)，通過組態(tài)王軟件構(gòu)建仿真操作界面，使得對紙機(jī)的各項(xiàng)操作能直接通過組態(tài)王的工作界面來設(shè)定和執(zhí)行，并能通過監(jiān)控界面直觀顯示紙機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)和必要的數(shù)據(jù)，保證和維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[15]。

3 組態(tài)仿真系統(tǒng)的開發(fā)

組態(tài)系統(tǒng)是由裝有組態(tài)王軟件的計(jì)算機(jī)、輸入、輸出設(shè)備及PLC組成。該系統(tǒng)通過通訊電纜使組態(tài)軟件與PLC直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使PLC控制的執(zhí)行情況能夠?qū)崟r(shí)、直觀地在電腦畫面上顯示出來，供學(xué)生學(xué)習(xí)。

組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)主要包括I/O設(shè)備組態(tài)、組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典定義、組態(tài)畫面設(shè)計(jì)制作等幾部分。

3.1 I/O設(shè)備組態(tài)的建立

I/O設(shè)備組態(tài)是指根據(jù)現(xiàn)場的硬件I/O設(shè)備的物理類型和實(shí)際參數(shù)，在組態(tài)王軟件開發(fā)系統(tǒng)中創(chuàng)建對應(yīng)的邏輯I/O設(shè)備，并設(shè)定相應(yīng)的通訊參數(shù)，以便完成組態(tài)與硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。在設(shè)備配置中定義西門子S7-300系列PLC的通信設(shè)置，一般通信選擇為MPI方式。

3.2 組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典定義

在組態(tài)王軟件中，圖形變化、數(shù)值顯示、控制參數(shù)輸入等都是通過“變量”來傳遞數(shù)據(jù)或狀態(tài)，變量的屬性一般包括：變量名、變量的類型、描述、變量靈敏度、變量的取值范圍以及I/O變量的連接設(shè)備信息等。

組態(tài)王的變量分為內(nèi)部變量和I/O變量2種類型。其中I/O變量是指與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的變量，而內(nèi)部變量一般指只在組態(tài)王內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的變量。所有在仿真界面中需要使用的內(nèi)部變量和I/O變量都必須在數(shù)據(jù)詞典中進(jìn)行定義，根據(jù)需要在數(shù)據(jù)詞典中增加數(shù)據(jù)變量，設(shè)置名稱和類型。

3.3 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)制作

在畫面開發(fā)界面的圖庫中調(diào)出按鈕、閥門、電動(dòng)機(jī)、變頻器、報(bào)警窗口等素材創(chuàng)建符合生產(chǎn)實(shí)際情況的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本畫面及監(jiān)控畫面，明確各圖形對象的含義，采用動(dòng)畫連接方式將組態(tài)畫面中圖形對象與變量建立對應(yīng)關(guān)系。組態(tài)軟件運(yùn)行時(shí)，要求在組態(tài)王的控制畫面中可生動(dòng)形象地看到傳送帶的上升和下降、電機(jī)的啟動(dòng)和停止、電磁閥的啟停等動(dòng)畫效果以及在監(jiān)控畫面上能夠形象地表現(xiàn)出流量和溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)所發(fā)生的變化，從而加強(qiáng)監(jiān)控效果，形成良好的人機(jī)交互界面來觀察控制系統(tǒng)的變化是否符合設(shè)計(jì)要求。紙機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)如圖2、3所示。

圖2 紙機(jī)仿真系統(tǒng)控制界面

圖3 紙機(jī)仿真系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié) 語

通過西門子S7-300和組態(tài)王軟件在紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué), 證明通過組態(tài)軟件模擬實(shí)際生產(chǎn)過程，讓學(xué)生親自編程、實(shí)際接線和仿真調(diào)試，并對運(yùn)行過程中所遇到的問題進(jìn)行分析和改進(jìn)，對學(xué)生的實(shí)踐能力有很大的提高。該系統(tǒng)具有通用性、開放性及可擴(kuò)展性，能夠滿足其它類似項(xiàng)目的課程教學(xué)和科研創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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