組態軟件WinCC與S7-PLCSIM 在PLC教學中的應用

許仙珍，單長考

（常熟理工學院，電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

組態軟件WinCC與S7-PLCSIM 在PLC教學中的應用

許仙珍，單長考

（常熟理工學院，電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

針對PLC教學中缺少工業背景、直觀性差等問題，將組態仿真技術引入PLC教學，構建仿真教學系統.仿真系統開發主要包括組態界面設計和PLC編程兩個部分.通過WinCC組態軟件與PLCSIM仿真軟件連接與通訊，可以直觀地模擬各類工業對象的控制過程.應用結果表明，組態仿真技術與PLC教學結合能極大地豐富教學內容和增強教學生動性，從而取得較好的教學效果.

PLC教學；組態軟件；仿真；WinCC

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

PLC課程是一門實踐性非常強的課程，與工程實際聯系密切.PLC的控制功能只憑理論分析是很難體現出來的，要想將抽象技術知識形象生動地傳授給學生，則需要在教學過程中借助于實驗設備開發應用實例并給予學生充分的訓練.近幾年來學校建立了西門子實驗中心，各配置了十幾套S7-300和S7-200實驗裝置，滿足了實踐教學的需要.但教學中仍存在一些問題：1）目前實驗方式都采用PC+PLC+對象的方式，控制效果由對象模塊來體現.但現有實驗裝置中的各個控制對象多采用教學儀器廠（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，缺少運動部分，不夠直觀；2）該課程大部分課時是理論教學，在多媒體教室進行.由于缺少硬件設備，講解典型實例時無法現場加以演示，學生難以對控制系統要求和控制性能有較好的感性認識，3）學生多，設備少，現有的實驗裝置難以給學生提供足夠的操作時間.

問題的關鍵在于PLC控制對象，若能用計算機全真模擬被控對象，則可利用有限設備及多樣化的程序豐富教學的內容和直觀性.本文將組態仿真軟件引入PLC教學，利用組態軟件可以仿真多種PLC控制對象與各種工業現場環境，并以動畫形式在PC機上展現，使得教學內容更加豐富、生動、直觀；而仿真軟件可以代替PLC硬件設備實現各種控制功能，以避免硬件上的限制.西門子公司推出的WinCC組態軟件集成了數據采集監控系統（SCADA）、組態、腳本語言和OPC等先進技術，是SIMATIC全集成自動化系統的重要組成部分.它具有豐富的設置項目、可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全[3，5].可用來開發PLC仿真控制對象.

1 仿真系統組成

仿真系統采用上位機+下位機的構成方式，上位機為普通的PC機，安裝WinCC V6.0與西門子編程軟件STEP7-MicroWIN V4.0，下位機為西門子S7系列PLC.若在課堂教學，則下位機采用PLCSIM仿真軟件代替.上位機與下位機的通訊可采用多種方式，如MPI、PROFIBUS DP、OPC等.WinCC組態軟件通過通信接口監控PLC所有存儲器及I/O接口的狀態，以變量值的形式傳輸到計算機上，供人機界面組態與顯示.

2 仿真系統的實現

利用WinCC組態軟件可以仿真多種PLC控制對象.被控對象的工藝流程和動態顯示通過組態軟件畫面組態實現.WinCC可以接受多種由PLC（仿真軟件）發出的狀態信號和數值信號，按照程序算法以動畫、數值、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發出各種命令和輸出各種參數，以配合PLC控制，反映PLC與模擬被控對象及控制結果之間的關系.要使畫面中仿真控制對象能夠生動、逼真地運動或顯示，在組態軟件中需定義一些內部變量，與外部變量相配合，通過各種組態方式驅動畫面.

在教學中，學生既可將計算機看作“被控對象”，用PLC對其進行控制；又可在屏幕上以動畫形式直觀看到程序的執行結果.這有利于提高學生的學習興趣，增強學生的參與意識.仿真系統具體實施過程如下：

1）在SIMATIC管理器中生成項目，編寫PLC控制程序.

2）設置PG/PC接口，將控制程序下載到PLC或仿真PLC.

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

4）組態變量，建立WinCC與PLC或PLCSIM的通訊連接.

5）運行控制系統，觀察控制效果.

3 應用實例

下面以簡單的三節皮帶運輸機為例來說明組態仿真軟件在PLC教學中的應用.

3.1 控制要求分析

三節皮帶運輸機控制系統中，1#、2#和3#皮帶分別由電動機M1、M2和M3拖動，給料機閘門L由電磁閥Y控制，Y得電，料門L打開；反之，料門L關閉.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#皮帶機先起動；延時3秒后2#皮帶機自起動；再過3秒，1#皮帶機自起動，同時料門L打開，起動過程結束.

2）順物流方向順序停車控制[3]

按下停止按鈕，關閉料門L；5秒后，停止1#皮帶機；再延時5秒，2#皮帶機自動停止；再過5秒，3#皮帶機停止，停車過程結束.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先停止的原則.

3.2 編寫控制程序

根據控制要求編寫PLC程序，圖1是三節傳輸帶的順序功能圖.在STEP7中創建項目、組態硬件、設置CPU參數，并編寫OB100和OB1程序代碼.

圖1 三節傳輸帶順序控制圖

程序輸入完畢后，將它下載到PLC或仿真PLC中.因為是在理論課上演示，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中創建所需監控的視圖對象，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并創建一個新項目.在變量管理器中添加一個新驅動“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”.選中該驅動下的MPI項，右擊鼠標選擇“新驅動程序的連接”，在彈出的“連接屬性”對話框中，輸入連接名稱為“PLC1”，點擊屬性按鈕，打開“連接參數”對話框，在對話框中指定PLC控制器的站地址、機架號、插槽號等，完成WinCC與PLC間通過MPI通訊口的連接設置.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 畫面設計與組態

在WinCC管理器窗口，打開“圖形編輯器”，創建三節傳輸帶的監控畫面，如圖3所示，按照直觀、動態、形象的原則組態控制對象的動態屬性.

3.5 項目運行

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的單選框出現符號“√”，表示M0.0狀態為1，系統已進入初始步.然后激活WinCC項目.WinCC運行窗口出現三節傳輸帶運行畫面.

按下畫面中的起動按鈕，3#皮帶機的兩端輪子動態旋轉，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一行藍色文字“傳輸帶起動中……”，提示系統正在起動過程中.過3秒，2#傳輸帶兩端旋轉，再延時一段時間，1#傳送機旋轉起動，同時與料門L對應的紅色變為綠色，表示料門L打開.此時，起動提示文字消失，起動過程結束，系統進入運行狀態，如圖3（b）所示.

點擊畫面上的停止按鈕，料門L關閉，顏色變為紅色；延時一段時間后，1#傳輸機停止轉動；再延時一段時間，2#傳輸帶停止轉動，如圖3（c）所示；如此依次停止，直到所有傳輸帶順序關閉.

如果同時監控過程畫面和PLCSIM窗口視圖，則會發現對象狀態的變化是一致的.這樣更便于學生了解程序步轉換狀態與被控對象的對應關系，以及變量數據的傳遞關系.

4 結束語

WinCC組態軟件提供了良好的人機界面，可進行整個系統的監控和管理.它所提供的豐富圖庫和標準對象為多種工業過程或被控對象的場景開發提供了極大的便利.實驗教學中，利用組態軟件既可以使被控對象更加逼真，增強臨場感；又可以開發更多應用實例，豐富實驗內容.理論教學中，利用組態軟件和仿真軟件對PLC控制項目進行仿真模擬，可以直觀監控PLC的整個控制過程，測試PLC控制程序的正確與否. WinCC組態軟件和PLC及PLCSIM軟件的有機配合使用，有助于加深學生對教學內容的理解，增強學生的學習興趣，從而提高教學質量.

另外，這種基于組態軟件和仿真軟件的教學方法，可以在同一臺電腦上利用WinCC軟件和STEP7程序進行通訊，完全可以脫離硬件而進行程序演示或調試.現在學生電腦的普及率很高，只要安裝了相應軟件，學生就可以脫離實驗室進行操作練習，從而增加學生動手操作和訓練的機會.

[1]匡宇國.MCGS組態軟件技術在PLC教學中的交互應用研究[J].教育探索，2007（12）：136-137.

[2]劉美蘭.PLC控制教學實驗系統的設計[J].實驗室研究與探索，2004，23（2）：26-27.

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

[4]廖常初.S7-300/400 PLC應用教程[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5]劉華波，王雪，何文雪，等.組態軟件WinCC及其應用[M].北京：機械工業出版社，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

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

許仙珍（1976—），女，浙江天臺人，講師，碩士，研究方向：先進自動化控制技術與復雜工業過程監控．