基于PLCSIM和真實(shí)PLC的分布式教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于PLCSIM和真實(shí)PLC的分布式教學(xué)平臺(tái)，使用PLCSIM代替價(jià)格昂貴的操作站PLC，大幅降低了學(xué)校在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備采買上的投入，為每位學(xué)生學(xué)習(xí)分布式控制創(chuàng)造條件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)靈活性和學(xué)習(xí)效果，達(dá)到幫助學(xué)生學(xué)習(xí)分布式控制、工業(yè)通信總線、PLC編程和界面（HMI）組態(tài)等核心內(nèi)容的目的。

關(guān)鍵詞：PLCSIM;真實(shí)PLC;分布式;教學(xué)平臺(tái)

0 引言

隨著我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型升級(jí)[1]，我國(guó)制造業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備正在從獨(dú)立式、孤島式向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型。信息化技術(shù)應(yīng)用不斷加強(qiáng)，打通了各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息高速公路，數(shù)據(jù)集中顯示和控制已成為大趨勢(shì)。目前，各高校大部分采用的是實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)訓(xùn)模式，設(shè)備采購(gòu)、維護(hù)、更換升級(jí)都需要大量的資金投入。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于PLCSIM和真實(shí)PLC的分布式教學(xué)平臺(tái)，使用PLCSIM代替價(jià)格昂貴的操作站PLC，管控底層現(xiàn)場(chǎng)控制單元，達(dá)到幫助學(xué)生學(xué)習(xí)分布式控制、工業(yè)通信總線、PLC編程和界面（HMI）組態(tài)等核心內(nèi)容的目的。此系統(tǒng)可以大幅降低學(xué)校在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備采買上的資金投入，為每位學(xué)生學(xué)習(xí)分布式控制創(chuàng)造條件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)靈活性和學(xué)習(xí)效果。

1 分布式教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

本教學(xué)平臺(tái)采用PLCSIM（虛擬PLC，軟PLC）代替價(jià)格昂貴的300型、400型PLC，保留底層價(jià)格便宜的SMART 200系列PLC，可低成本實(shí)現(xiàn)學(xué)生大規(guī)模的DCS系統(tǒng)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)。設(shè)計(jì)的分布式教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本平臺(tái)主要由PLCSIM和MCGS組成的操作站以及200 SMART PLC和應(yīng)用場(chǎng)景組成的現(xiàn)場(chǎng)控制單元組成。其中，SIMATIC Manager用于完成300型、400型PLC的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、邏輯程序編寫和調(diào)試任務(wù);PLCSIM用于模擬真實(shí)的PLC運(yùn)行編寫的程序，為SIMATIC Manager編寫的程序和200 SMART PLC提供通信功能;MCGS組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境主要完成工作站的用戶界面組態(tài)和用戶監(jiān)控程序運(yùn)行任務(wù)。

2 教學(xué)平臺(tái)搭建

2.1? ? SIMATIC Manager軟件

SIMATIC Manager是西門子開發(fā)的對(duì)300型、400型PLC進(jìn)行編程和調(diào)試的軟件。SIMATIC Manager可以完成PLC程序的在線調(diào)試運(yùn)行，降低學(xué)生編寫和調(diào)試程序的難度。

2.2? ? STEP 7-Micro/WIN SMART軟件

STEP 7-Micro/WIN SMART是西門子開發(fā)的SMART 200系列PLC的組態(tài)、編程和調(diào)試軟件。SMART 200系列PLC是首選的低成本的電機(jī)控制（伺服、變頻）PLC，具有極高的性價(jià)比。

2.3? ? PLCSIM軟件

PLCSIM軟件用來(lái)模擬真實(shí)的PLC完成數(shù)字量和模擬量輸入/輸出、邏輯程序運(yùn)行、通信等功能。PLCSIM具有通信功能，可以完成PLC間的數(shù)據(jù)交互。

2.4? ? MCGS開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境

本設(shè)計(jì)選用通用版MCGS作為人機(jī)界面（HMI）組態(tài)開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境軟件。MCGS開發(fā)軟件分為3個(gè)版本：嵌入式版、通用版和網(wǎng)絡(luò)版。嵌入式版MCGS需要配合實(shí)際的觸摸屏使用，網(wǎng)絡(luò)版MCGS控件相對(duì)較少，且學(xué)生學(xué)習(xí)以本機(jī)學(xué)習(xí)為主。MCGS開發(fā)運(yùn)行環(huán)境主要用來(lái)對(duì)操作站PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)控制過程數(shù)據(jù)的可視和界面控制功能。通用版MCGS又分為組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境，組態(tài)環(huán)境用于人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)、控制邏輯編制、設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)連接等[2]，MCGS運(yùn)行環(huán)境為開發(fā)環(huán)境完成的程序提供運(yùn)行環(huán)境。

2.5? ? 數(shù)據(jù)的橋接

由于PLCSIM無(wú)法和真實(shí)的PLC進(jìn)行通信，因此需要使用橋接軟件完成PLCSIM和外界PLCSIM、MCGS運(yùn)行環(huán)境之間的通信。本系統(tǒng)選用NetToPLCsim作為PLCSIM、200 SMART PLC和MCGS運(yùn)行環(huán)境的橋接工具。

3 調(diào)試與運(yùn)行

為了驗(yàn)證該分布式教學(xué)平臺(tái)的可行性，本設(shè)計(jì)以三級(jí)傳送帶啟停為例，調(diào)試分布式教學(xué)平臺(tái)。本實(shí)例用MCGS開發(fā)的HMI界面顯示三級(jí)傳送帶運(yùn)行狀態(tài)并控制操作站PLC（PLCSIM），操作站PLC（PLCSIM）只給200 SMART PLC發(fā)送啟動(dòng)和停止控制信號(hào)，三級(jí)傳送帶控制程序在現(xiàn)場(chǎng)控制單元PLC中編寫。三級(jí)傳送帶為了避免貨物堆積造成貨物或者傳送帶設(shè)備損壞，對(duì)啟動(dòng)順序有一定的要求。本實(shí)例的要求為啟動(dòng)時(shí)，第一級(jí)傳送帶啟動(dòng)2 s后，第二級(jí)傳送帶啟動(dòng)，3 s后，第三級(jí)傳送帶啟動(dòng)。停止時(shí)，三級(jí)傳送帶同時(shí)停止。

本實(shí)例使用兩臺(tái)PC和一臺(tái)200 SMART PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)操作站工作站和現(xiàn)場(chǎng)控制單元的功能。操作站工作站（PC1）實(shí)現(xiàn)操作站PLC的仿真、信號(hào)的橋接和MCGS開發(fā)運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)控制單元（PC2和200 SMART PLC）實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的程序編寫和運(yùn)行，三級(jí)傳送帶啟停的控制信號(hào)由200 SMART PLC的數(shù)字量輸入/輸出端口信號(hào)模擬。

3.1? ? PLC程序的設(shè)計(jì)

3.1.1? ? 三級(jí)傳送帶啟停的工作原理

三級(jí)傳送帶的啟停控制由200 SMART PLC實(shí)現(xiàn)，需要在STEP 7-Micro/WIN SMART中編寫控制邏輯。對(duì)本實(shí)例中三級(jí)傳送帶啟停狀態(tài)進(jìn)行分析，三級(jí)傳送帶啟停程序狀態(tài)如表1所示。

3.1.2? ? 信號(hào)分配

由于控制邏輯在200 SMART PLC中編寫，啟停的信號(hào)可由200 SMART PLC本地的數(shù)字量輸入端口或者內(nèi)部變量控制，亦可由MCGS編寫的HMI程序中的變量控制。通過對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)本平臺(tái)的信號(hào)分配表，如表2所示。

3.1.3? ? 200 SMART PLC和仿真PLC交互數(shù)據(jù)

由于三級(jí)傳送帶的控制邏輯在200 SMART PLC中編寫，啟動(dòng)和停止信號(hào)由MCGS編寫的HMI程序讀寫到虛擬的PLCSIM中，200 SMART PLC和仿真PLC交互數(shù)據(jù)通過200 SMART PLC讀寫PLCSIM中數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。

3.1.4? ? 編制PLC程序

根據(jù)三級(jí)傳送帶啟停的工作原理設(shè)計(jì)的傳送帶啟停程序如圖2所示。

3.2? ? MCGS程序設(shè)計(jì)

MCGS程序設(shè)計(jì)分為三大部分：設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)連接、界面（HMI）組態(tài)。

3.2.1? ? 設(shè)備組態(tài)

在設(shè)備組態(tài)窗口中，添加“西門子CP443-1以太網(wǎng)模塊”。設(shè)備組態(tài)需要完成本地IP地址（運(yùn)行MCGS程序的計(jì)算機(jī)IP地址）的設(shè)置、遠(yuǎn)程IP地址（需要連接的PLC地址）的設(shè)置。

3.2.2? ? 數(shù)據(jù)連接

MCGS內(nèi)部的數(shù)據(jù)對(duì)象需要和PLC內(nèi)部變量連接，賦予MCGS內(nèi)部數(shù)據(jù)物理意義。PLC內(nèi)部變量和MCGS內(nèi)部數(shù)據(jù)連接關(guān)系如表3所示。

3.2.3? ? 界面（HMI）組態(tài)

按照需求，放置元器件后，連接控件和MCGS內(nèi)部數(shù)據(jù)對(duì)象綁定。傳送帶啟停界面元件和數(shù)據(jù)綁定關(guān)系如表4所示。

3.3? ? 運(yùn)行結(jié)果

200 SMART PLC程序編寫完成后，下載到PLC。PLCSIM仿真的PLC不需要編寫PLC程序，只需要硬件組態(tài)。組態(tài)后，程序下載到PLCSIM中，啟動(dòng)NetToPLCsim和MCGS編寫的HMI程序。運(yùn)行的分布式教學(xué)平臺(tái)效果如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以三級(jí)傳送帶啟停程序的調(diào)試和運(yùn)行為例，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的基于PLCSIM和真實(shí)PLC的分布式教學(xué)平臺(tái)運(yùn)行正常，能夠滿足PLC的分布式教學(xué)要求。設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)使用PLCSIM代替價(jià)格昂貴的操作站PLC，可以大幅降低學(xué)校在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備采買上的投入，為每位學(xué)生學(xué)習(xí)分布式控制創(chuàng)造條件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)靈活性和學(xué)習(xí)效果，達(dá)到幫助學(xué)生學(xué)習(xí)分布式控制、工業(yè)通信總線、PLC編程和界面（HMI）組態(tài)等核心內(nèi)容的目的。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李光，韓芮.“工業(yè)4.0”視閾下智能包裝裝備發(fā)展趨勢(shì)[J].包裝學(xué)報(bào)，2018，10（1）：34-41.

[2] 馮軍磊，王艷平.基于MCGS和PLCSim的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電信息，2020（6）：70-71.

收稿日期：2021-02-22

作者簡(jiǎn)介：馮軍磊（1989—），男，河南西平人，助教，研究方向：計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、機(jī)電一體化。