基于組態(tài)王的PLC電鍍生產(chǎn)線仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余 劍， 王 剛， 牛綠原， 袁 飛

(南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

基于組態(tài)王的PLC電鍍生產(chǎn)線仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余 劍， 王 剛， 牛綠原， 袁 飛

(南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)PLC技術(shù)在自控領(lǐng)域應(yīng)用的感性認(rèn)識(shí)，提高PLC實(shí)踐課程教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)電鍍工藝復(fù)雜，控制點(diǎn)多、分散，控制難度較大，為優(yōu)化電鍍生產(chǎn)線控制方案，降低其設(shè)計(jì)難度。提出基于組態(tài)軟件Kingview的PLC仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并予以實(shí)現(xiàn)。仿真系統(tǒng)采用組態(tài)王監(jiān)控軟件與西門子200PLC控制相結(jié)合的控制方案，由PLC實(shí)現(xiàn)各控制功能，組態(tài)王軟件對(duì)整個(gè)工作過(guò)程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

組態(tài)王； 可編程控制器； 電鍍生產(chǎn)線； 實(shí)訓(xùn)； 仿真

0 引 言

PLC具有編程簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，故PLC技術(shù)及應(yīng)用課程一直是高等院校自動(dòng)化、電氣、機(jī)械電子等專業(yè)的核心課程。該課程重要特點(diǎn)是工程實(shí)踐性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多。如果僅憑理論教學(xué)則效果不佳，必須安排一定學(xué)時(shí)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，主要包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、PLC課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是幫助學(xué)生理解、消化理論知識(shí)，培養(yǎng)其具備良好工程素質(zhì)的重要手段。實(shí)驗(yàn)裝置性能的好壞、實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)的優(yōu)良都對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的鍛煉產(chǎn)生很大影響[2]。

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)裝置多采用固定的實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)，學(xué)生可完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多是指示燈模擬控制，只要觀察指示燈變化就可判斷系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)錯(cuò)，如此顯得控制簡(jiǎn)單、單調(diào)，脫節(jié)于實(shí)際工業(yè)自動(dòng)化控制工藝的發(fā)展，造成學(xué)生興趣低，脫離實(shí)際，達(dá)不到實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。若采用真實(shí)系統(tǒng)，也會(huì)產(chǎn)生諸多缺點(diǎn)，成本高、維護(hù)難、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容柔性差。同時(shí)，企業(yè)的生產(chǎn)工藝、設(shè)備不斷更新，新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用，這要求所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例不斷優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也應(yīng)持續(xù)升級(jí)，與實(shí)際接軌，從而對(duì)PLC實(shí)踐教學(xué)建設(shè)提出更高要求[3]。

電鍍工藝是電化學(xué)生產(chǎn)工藝，電鍍手工生產(chǎn)過(guò)程中，工人不可避免地要接觸一些硝酸、重金屬鹽、氰化物等一些有毒有害物質(zhì)。近年來(lái)企業(yè)電鍍生產(chǎn)線新工藝不斷涌現(xiàn)，造成電鍍生產(chǎn)線控制系統(tǒng)控制點(diǎn)位多且分散，控制流程復(fù)雜，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選難度大、周期長(zhǎng)。所以有必要構(gòu)建電鍍生產(chǎn)線仿真監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)對(duì)電鍍實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真研究。這為降低設(shè)計(jì)方案優(yōu)選難度，縮短設(shè)計(jì)周期，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量，保障工人身體健康提供一個(gè)有效解決方案。

“組態(tài)王”是國(guó)內(nèi)最早的商用組態(tài)軟件，基于Windows平臺(tái)[4]。組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運(yùn)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成[5]。它具備工程管理便捷化、開(kāi)發(fā)環(huán)境綜合便利化、圖形對(duì)象豐富化、形成的“監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”用戶化等多種功能，功能十分強(qiáng)大，目前已被用于我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的各行各業(yè)。由此，針對(duì)電鍍生產(chǎn)線本文提出設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于組態(tài)王技術(shù)的PLC仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，將組態(tài)王技術(shù)與西門子200PLC控制相結(jié)合，以豐富、界面友好的動(dòng)畫來(lái)仿真電鍍生產(chǎn)線工藝流程動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)直觀[5]。

1 電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)流程分析及仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成

1.1 電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)流程分析

電鍍生產(chǎn)線主要由行車。電機(jī)和盛放液體的槽組成。電鍍的基本生產(chǎn)流程如圖1所示[6]。

圖1 電鍍的基本生產(chǎn)流程圖

在充分調(diào)研電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，圖2所示為實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝圖。

圖2 電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝圖

1.2 仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化生產(chǎn)工藝、控制要求越來(lái)越復(fù)雜，為有效降低控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，縮短控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，各種仿真系統(tǒng)被開(kāi)放出來(lái)，應(yīng)用到多個(gè)控制領(lǐng)域。如汽車生產(chǎn)線中的機(jī)器人焊接仿真系統(tǒng)，智能化倉(cāng)儲(chǔ)仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)多體現(xiàn)了PLC控制技術(shù)、分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)。本仿真系統(tǒng)依據(jù)電鍍生產(chǎn)線工藝流程，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了行車運(yùn)行動(dòng)作仿真，包含平移電機(jī)運(yùn)行動(dòng)作仿真和升降電機(jī)運(yùn)行動(dòng)作仿真，以體現(xiàn)PLC控制技術(shù)的經(jīng)典工程應(yīng)用。從而實(shí)現(xiàn)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)接軌，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)PLC技術(shù)在自控領(lǐng)域應(yīng)用的感性認(rèn)識(shí)。

系統(tǒng)由下位機(jī)西門子S7-200PLC和上位機(jī)工控機(jī)(計(jì)算機(jī))組成。下位機(jī)的PLC使用CPU224模塊，上位機(jī)作為控制監(jiān)控主體，安裝有組態(tài)王6.53軟件與西門子200PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN[7]。組態(tài)王6.53使用西門子的PPI協(xié)議通過(guò)PPI/PC電纜與PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控電鍍生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程。硬件主體是通用控制柜，按鈕、指示燈及各種傳感器被安裝在控制柜面板上，它們都對(duì)應(yīng)接入PLC的I/O端口。學(xué)生不僅可以手動(dòng)操作面板實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)運(yùn)行，也可通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行。仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)控制原理圖見(jiàn)圖3所示[8]。

圖3 仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)控制原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)I/O點(diǎn)分配

本實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)硬件I/O分配情況見(jiàn)表1[9]。

2.2 系統(tǒng)硬件連接圖

仿真系統(tǒng)硬件接線如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由PLC控制軟件和組態(tài)王6.53軟件兩部分組成。前者采用STEP7-Micro/WIN編程軟件，主要完成各PLC控制程序編制和調(diào)試；后者主要完成仿真系統(tǒng)的監(jiān)控程序[10]。

3.1 控制程序設(shè)計(jì)

(1) 控制要求分析。①電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行方式有4種方式[11]。第1種為單周期模式，含義為啟動(dòng)后，完成一次電鍍工作回到原位停止、等待；第2種為連續(xù)運(yùn)行模式，啟動(dòng)后，完成一次電鍍工作回到原位再連續(xù)循環(huán)工作；第3種為單步操作模式，每按一次啟動(dòng)按鈕執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作步；第4種為手動(dòng)操作，用上升、下降、前進(jìn)、后退4個(gè)按鈕手動(dòng)控制電鍍生產(chǎn)線的上升、下降、前進(jìn)和后退。②前后運(yùn)行和升降運(yùn)行應(yīng)能準(zhǔn)確停位，前后、升降運(yùn)行之間有互鎖作用。③采用遠(yuǎn)距離操作臺(tái)控制行車運(yùn)動(dòng)，要求有暫?？刂乒δ?。④行車運(yùn)行采用行程開(kāi)關(guān)控制，并要求在前處理位和后處理位有過(guò)限保護(hù)。⑤信號(hào)燈顯示電鍍吊籃所在的槽位及上下限位置。

表1 仿真系統(tǒng)I/O點(diǎn)分配表

圖4 仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)硬件連接圖

(2) 控制流程圖。根據(jù)電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝及控制要求，可得控制流程圖如圖5所示。

圖5 電鍍生產(chǎn)線控制流程圖

3.2 組態(tài)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)電鍍生產(chǎn)線控制要求及控制流程圖[12-13]，按組態(tài)王監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)流程，創(chuàng)建工程路徑建立新工程、設(shè)計(jì)人機(jī)界面(電鍍生產(chǎn)線監(jiān)控界面見(jiàn)圖6)，定義變量建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(局部變量定義見(jiàn)圖7)，以及使圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)象建立相關(guān)性連接，設(shè)置動(dòng)畫屬性，則可使人機(jī)界面中動(dòng)畫動(dòng)起來(lái)。

根據(jù)圖5所示，整個(gè)控制流程圖中行車運(yùn)行、工藝要求及其動(dòng)作步序還是較復(fù)雜的，主要是上升、下降和平移動(dòng)作。下面給出設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的行車動(dòng)作的部分監(jiān)控程序[14]。

實(shí)現(xiàn)行車的運(yùn)動(dòng)(垂直和水平移動(dòng))(局部程序)：

if(本站點(diǎn)前進(jìn)指示燈==1)

{

本站點(diǎn)行車右移=本站點(diǎn)行車右移+20;

}

if(本站點(diǎn)上升指示燈==1)

{

本站點(diǎn)行車上升=本站點(diǎn)行車上升+15;

}

if(本站點(diǎn)下降指示燈==1)

{

本站點(diǎn)行車下降=本站點(diǎn)行車下降+15;

}

圖6 電鍍生產(chǎn)線監(jiān)控畫面圖

圖7 變量定義圖(局部)

4 運(yùn)行、調(diào)試及監(jiān)控

組態(tài)王工程已經(jīng)初步建立起來(lái)，進(jìn)入到運(yùn)行和調(diào)試階段[15]。在組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件/切換到View”菜單命令，進(jìn)入組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)。在運(yùn)行系統(tǒng)中選擇“畫面/打開(kāi)”命令，從“打開(kāi)畫面”窗口選擇“Test”畫面。顯示出組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)畫面，即可看到動(dòng)態(tài)變化[16]。

在組態(tài)王6.53中，用戶通過(guò)定義I/O變量，可非常方便實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用這些采集數(shù)據(jù)，通過(guò)類似C語(yǔ)言的“應(yīng)用程序語(yǔ)言”編寫程序，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則使人機(jī)界面中豐富“動(dòng)畫連接”功能與程序結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。例如行車上升監(jiān)控圖如圖8所示。

圖8 行車上升監(jiān)控圖

5 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)發(fā)后的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐，成功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真監(jiān)控電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)的運(yùn)行過(guò)程，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性高，取得了較好的教學(xué)效果。不過(guò)，該設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)仍有不足之處，還可以再擴(kuò)展。如果可以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出模擬生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障、報(bào)警信號(hào)，使仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)更逼真地反映電鍍生產(chǎn)線真實(shí)運(yùn)行情況，尤其是出現(xiàn)故障、報(bào)警之后控制系統(tǒng)的處理更貼近實(shí)際生產(chǎn)，則實(shí)踐教學(xué)效果還可進(jìn)一步提升。

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Design of PLC Electroplating Production Line Simulation Training System Based on Kingview

YUJian,WANGGang,NIULüyuan,YUANFei

(School of Intelligent Manufacturing, Taizhou Institute of Sci. & Tech., Nanjing University of Science & Technology, Taizhou 225300, Jiangsu, China)

Because the electroplating process is complex, and with lots scattered control points, it’s very difficult to control the process, a PLC simulation training system based on Kingview configuration software is designed and realized to strengthen students' perceptual knowledge of PLC and improve the teaching quality of PLC practice course. Control method of the simulation system uses Kingview monitor software and combines with Siemens 200PLC control scheme. Each control function is realized through PLC, and dynamic real-time monitoring of the whole working process is realized by software Kingview. This paper gives the hardware design and software design of the simulation system in detail.

Kingview; programmable logic controller (PLC); electroplating production line; training; simulation

2016-08-25

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201613842006Y)

余 劍(1978-)，男，湖北武漢人，碩士，講師，研究方向：電氣傳動(dòng)控制應(yīng)用技術(shù)。

Tel.:15295566515；E-mail:290231706@qq.com

TM 571.2

A

1006-7167(2017)04-0103-04