基于組態(tài)的PLC虛擬教學系統(tǒng)的研究

劉力

(遼寧裝備制造職業(yè)技術學院 高職教務處，遼寧 沈陽 110164)

0 引言

虛擬教學系統(tǒng)是用組態(tài)軟件的虛擬技術模擬教學中需要設備或生產環(huán)境，以達到身臨其境的感覺。

PLC在各行各業(yè)應用非常廣泛［1］，控制對象多種多樣，出于教學成本和安全性考慮，大批購入實際模型非常不現(xiàn)實，模擬屏式的模型又達不到教學要求［2-3］。

本文為達到PLC課程的理實一體化教學需要，考慮以上功能實現(xiàn)的難度以及經濟效益，選擇了組態(tài)軟件Kingview實現(xiàn)一種新的基于組態(tài)的PLC虛擬教學實驗系統(tǒng)［4］。此虛擬教學系統(tǒng)既可提高系統(tǒng)的監(jiān)控功能，又可避免教學投入，降低使用成本，適應當今高職院校理實一體化教學的需要。

1 虛擬教學系統(tǒng)結構

每個學生實驗臺即為一套虛擬教學系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖1所示。由一臺計算機(稱為上位機，安裝組態(tài)軟件和STEP7編譯軟件)和一臺西門子S7-200型PLC(稱為下位機)組成，上位機與下位機通訊接口是RS232/485轉換器。

2 液體混合裝置PLC控制系統(tǒng)工藝流程、參數(shù)和I/O變量

(1)工藝流程

圖1 系統(tǒng)結構圖

液體混合裝置由混合罐體、電磁閥、電動機、液位傳感器、系統(tǒng)啟停開關以及管路組成。常態(tài)下系統(tǒng)的輸入輸出設備為關閉，當按下啟動開關后，系統(tǒng)開始工作。主要工序為:① 按比例進料;② 混合攪拌;③ 出料。工藝流程如圖2所示。

圖2 液體混合裝置工藝流程

圖中，從左到右是系統(tǒng)工藝流程，各工序轉換比較連續(xù)，從系統(tǒng)啟動開始，進料、攪拌、出料三個工序順序往復進行。工序的切換主要是定時時間和液位傳感器狀態(tài)的變化。

(2)參數(shù)和I/O變量

虛擬設備的參數(shù)主要依據現(xiàn)實液體混合裝置系統(tǒng)的參數(shù)。系統(tǒng)的I/O變量主要有:啟停開關、高液位傳感器SL1、中液位傳感器SL2、低液位傳感器SL3、電磁閥A線圈YV1、電磁閥B線圈YV2、混合液電磁閥C線圈YV3和攪拌電動機接觸器線圈KM。此外，系統(tǒng)要求混合液體物料比例為:液體A:液體B=3∶1。

3 液體混合裝置運行狀態(tài)的虛擬實現(xiàn)

虛擬實現(xiàn)液體混合裝置的運行狀態(tài)，首先進行系統(tǒng)建模，處理虛擬現(xiàn)場所需的數(shù)據。然后根據系統(tǒng)特點定義了變量及類型，再根據前兩項工作基礎，對系統(tǒng)進行仿真編程。最后調試系統(tǒng)，直至達到設計要求。

只有將建模、數(shù)據處理、仿真等技術有機結合，才能提供所需要信息及實時交互性的虛擬現(xiàn)實開發(fā)環(huán)境［5］。

3.1 液體混合裝置虛擬模型的建立

虛擬建模主要做了三項工作:

第一，數(shù)學建模，主要包括建立液體混合裝置所要求的三個傳感器的位置數(shù)據以及液體A、B的比例參數(shù);

第二，物理建模，主要包括簡化生產模型，在組態(tài)王軟件的“圖庫”中找到對應的主要設備，布置對象，連接繪制;

第三，程序實現(xiàn)，即通過程序把各種物體之間的相互運動、響應加以控制，模擬對象在三維世界中的行為［6-8］。

充分考慮了系統(tǒng)的參數(shù)，對混合罐體大小進行比例縮放，液位傳感器的位置按實際模型的比例放置。對液體流動速度、電磁閥動作狀態(tài)、系統(tǒng)啟停開關、電動機工作狀態(tài)等問題進行了細致的設計。

3.2 系統(tǒng)虛擬運行的實現(xiàn)

(1) 傳感器位置計算

① 高液位傳感器與中液位傳感器位置的計算

按系統(tǒng)參數(shù)設置，液體A與液體B的體積比為3∶1，因液體A與液體B注入罐體后體積比即等于高度比，即:

式中H1—中液位傳感器到罐底高度(單位:m);H2—高液位傳感器到罐底高度(單位:m)。

② 低液位傳感器位置的計算:

式中H3—低液位傳感器到罐底高度(單位:m);S—罐體橫截面積(m2);v—混合液體流動速度(m3/s);t—混合液體放空時間(單位:s)。

(2)系統(tǒng)各輸入輸出開關量虛擬運行的實現(xiàn)

各個主令元件、電磁閥、液位傳感器和電動機等均屬開關量的輸入輸出。將界面中圖素(代表被控對象)的動畫屬性與組態(tài)王數(shù)據字典中同名變量連接即可，在其中選擇動畫類型，變換顏色或者閃爍。

(3)系統(tǒng)液位虛擬增減的實現(xiàn)

為實現(xiàn)系統(tǒng)液位虛擬增減，系統(tǒng)設置了1個內存整型變量“液位高度”。YV1-YV3、SL1-SL3是離散變量，符號意義與I/O變量相對應。腳本程序如下:

//液位控制

if(\本站點YV1= =1||\本站點YV2= =1)

\本站點液位高度=\本站點液位高度+10;

if(\本站點YV3==1)

\本站點液位高度=\本站點液位高度-5;

//液位傳感器信號模擬

if(\本站點液位高度≥100)

\本站點SL3=1;

else

\本站點SL3=0;

if(\本站點液位高度≥180)

\本站點SL2=1;

else

\本站點SL2=0;

if(\本站點液位高度≥240)

\本站點SL1=1;

else

\本站點SL1=0;

程序掃描周期為100 ms。

(4)電動機攪拌器虛擬運行的實現(xiàn)

當混合液體沒過高液位傳感器后，電動機帶動攪拌器對罐體內液體進行充分攪拌。為提高系統(tǒng)仿真的可視性，設計時將電動機的速度降低。把攪拌器的葉片設置為五葉片旋轉狀態(tài)，并設置為隱含動畫。應用事件命令語言，程序如下:

if(\本站點葉片旋轉＜5)

\本站點葉片旋轉=\本站點葉片旋轉+1;

else

\本站點葉片旋轉=0;

(5)故障報警

為保障系統(tǒng)安全運行，真實仿真實際的實驗設備，完善監(jiān)控功能，為PLC理實一體化課程實訓提供良好的平臺，根據系統(tǒng)工藝要求，并預測系統(tǒng)投入教學可能出現(xiàn)的問題，設計了故障診斷報警功能，設置了越限報警、延時報警、離散型變量報警三種類型的報警。

3.3 虛擬設備仿真效果測試

(1)通訊設置

在組態(tài)環(huán)境下，選擇PLC的生產廠家、型號。設置通訊方式和傳輸速率，應與PLC的通訊方式和傳輸速率設置保持一致。

(2)系統(tǒng)運行測試

在STEP7環(huán)境下載PLC梯形圖程序并運行。在上位機組態(tài)軟件上，運行系統(tǒng)，出現(xiàn)監(jiān)控畫面后，按畫面上啟動按鈕，即可觀測實驗結果。

(3)結果分析

因系統(tǒng)針對學生實驗教學，對象仿真的效果必須與學生所編寫的PLC程序的運行結果一致。系統(tǒng)最終驗收測試，以對比實驗法進行分析驗證。

選取了四個不同的PLC程序，選取原則是按照系統(tǒng)工藝流程特點，分別在進料、攪拌、出料三個流程中，找到的關鍵問題，編寫出對應的PLC程序，最后一個是正確無誤的PLC程序:

第一個是進料階段，當液位高于高液位傳感器SL1時，閥B仍然打開繼續(xù)進料的PLC程序;

第二個是攪拌階段，攪拌電動機工作超時的PLC程序;

第三個是出料階段，閥C打開，但閥A、閥B也同時打開PLC程序;

第四個是完全按工藝流程正確的PLC程序。

經系統(tǒng)運行測試，系統(tǒng)能夠按照PLC程序的情況，如實仿真虛擬控制對象的運行情況，且畫面生動有趣，形象逼真。系統(tǒng)預設的報警功能得以實現(xiàn)，及時準確的彈出報警對話框，并給予相應的檢查和編程提示，實時性和人機交互性好。符合預期的設計思路，滿足了教學仿真試驗的要求。四個PLC程序運行對比結果，如圖3所示。

圖3 仿真效果圖

4 結束語

對于基于組態(tài)的帶有模擬量的PLC仿真系統(tǒng)，與開關量的系統(tǒng)相比，實現(xiàn)有一定難度。本文以液體混合裝置為例，應用了組態(tài)的虛擬技術，對現(xiàn)有的實訓設備原型數(shù)據進行分析和處理，建模。經系統(tǒng)測試，上位機在運行了PLC程序后，能夠真實準確的仿真現(xiàn)場設備的運行情況。并能通過仿真運行狀況，比如液位變化、電磁閥的開關等，可以驗證學生PLC程序正確與否，系統(tǒng)的報警功能完善，能夠對PLC程序的問題做適當?shù)奶崾?，界面友好?？梢园踩蚀_、自如的應用于PLC課程理實一體化的教學中。

系統(tǒng)可以對各經典的生產過程進行模擬仿真，不僅生動形象、而且節(jié)省成本。為高職PLC課程理實一體化教學開辟了一條新的路徑。

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