基于西門子博途平臺的仿真實驗系統開發

(成都工業學院機械工程學院 四川 成都 610000)

基于西門子博途平臺的仿真實驗系統開發

胡天龍李世權劉厚石

(成都工業學院機械工程學院四川成都610000)

西門子公司的博途軟件將WINCC組態軟件和PLC編程調試軟件集成到了一個軟件平臺中，利用此平臺開發的PLC仿真實驗系統不僅可以提供虛擬的實驗被控對象，使得實驗效果直觀生動，同時利用博途平臺PLC編程仿真調試功虛擬PLC,減少了大中型PLC昂貴的采購費用，實現了能夠完全脫離實際硬件來進行PLC仿真實驗的功能。

西門子;博途平臺

隨著我國經濟的發展及人口結構的變化，自動化技術普及率急速提高，在自動控制領域占據較大市場份額的PLC技術的運用也越來越多，所以社會對掌握PLC技術的人才需要也越來越大。目前，PLC相關技術的人才培訓主要依托各級院校及各職業培訓機構，但是受限于設備采購的高昂費用，所以目前的培訓及教學都以理論為主，實際操作練習時間不夠或者因設備老舊原因效果較差。傳統的PLC實驗設備，實驗效果不直觀，易損壞，更新換代快。所以很多高校和培訓機構也開發了用于PLC實驗的仿真實驗系統，但往往只代替了實驗被控對象，不能實現完全脫離實際硬件來進行PLC仿真實驗的要求。國內的主流教學設備生產廠家也推出了用高級語言開發的全虛擬PLC實驗系統，實驗效果生動直觀，但在PLC的編程調試方面和實際PLC還有很大區別。在西門子公司推出將WINCC組態軟件和PLC編程調試軟件集成在一起的博途軟件后，快速、低成本地開發一套能夠完全脫離實際硬件來進行PLC仿真實驗的系統也易于實現了。

博途軟件將人機界面開發及仿真(可用于PLC實驗被控對象開發及仿真)和PLC編程調試功能(s7-12001500300400的編程調試，可以實現西門子大中型機的仿真調試，從而節約大量的硬件采購費用)集成到一個平臺。本項目運用博途軟件來開發PLC全虛擬仿真實驗系統，PLC程序的編程仿真操作及功能和實際西門子硬件PLC完全一致，博途中WINCC支持C語言等高級語言，同時可以利用各種組態素材，可以高效地完成被控對象的設計及仿真。根據本校PLC實驗室設備情況和教學需要，由專業老師帶領學生開發出了液體混合、自動灌裝生產線、交通燈控制、電機正反轉控制、密碼鎖自動門和自動售貨機等實驗模塊，下文以液體混合模塊為例對開發過程進行簡單介紹。

一、根據實際要求確定PLC配置并完成系統組態

根據實驗課題及項目要求確定PLC的CPU及擴展模塊、電源模塊等硬件型號，再完成PLC及人機界面(被控對象)的組態：

進入博途平臺，創建新項目，如圖1所示添加新設備，在控制器種類中選擇相應設備，這里選擇的是CPU 1516-3 PN/DP，數字量輸入模塊DI32共3塊，數字量輸出模塊DQ32共1塊，電源選擇PW70W。調試程序，通過博途的S7-PLCSIM功能模塊的仿真功能，將得到和實際硬件運行一樣的結果。

圖1 PLC硬件組態

二、WINCC軟硬件配置組態(被控對象運行平臺)

因為CPU 1516-3 PN/DP支持以太網通信，所以選擇帶常規網卡的虛擬的上位機PC，在上位機中配置了SIMATIC HMI應用軟件中WINCC RT Professional和通信模塊PROFINET的常規IE general網卡，如圖2所示。

圖2 WINCC軟硬件配置組態

三、建立PC與PLC的通信連接

CPU 1516-3 PN/DP有兩個PROFINET接口，分別是PROFINET接口[X1]和PROFINET接口[X2]。這里選擇PROFINET接口[X1]來連接PC。分別修改PC和PLC的IP地址，保證兩者在同一個網段。博途軟件中，通過點擊設備圖標中相應的接口位置，再拖動到待連接設備對應接口，將建立自動連接并完成配置。如圖3所示，點擊圖左上方“連接”，選擇HMI連接，然后左鍵點擊圖中PC系統IE板卡的通信端口，不松開左鍵的情況下移動鼠標至PLC硬件配置中CPU模塊的一個通信端口。這樣PC和PLC就建立了虛擬通訊連接，可以進行組態界面的動畫仿真。有需要的話可以將以太網的連接名稱更改，如PN/IE-1。

圖3 建立PC與PLC的通信連接

四、仿真界面設計

根據液體混合實驗項目的功能要求，分析統計被控對象的種類、按鈕指示燈的個數、需要記錄的數據。在博途WINCC組態軟件中，有現場罐、管道、閥門、電機模型、加熱器、攪拌器、液位傳感器等元素，可以直接用來組態被控對象，也可以用基本的圖元來進行設計。設計好的界面如圖4所示。罐體中液位的變化可以通過矩形的屬性填充來連接一個變量，變量的變化就直接對應填充的百分比。當變量變化時，液位也將相應變化，以此來模擬罐內液體的充放。對于液位傳感器的輸出，可以通過腳本語言來實現，在后臺對表示液位的變量和高、中、低三個值進行比較，當大于相應值就表示液位超過傳感器位置，相應傳感器輸出信號。在仿真畫面的屬性中，可以對動態化總覽項目進行修改，系統默認周期是2秒，這樣觀看到的被控對象動作緩慢不真實，可以修改為100毫秒。

圖4 仿真界面設計

為了防止出現液位高出罐體等邏輯錯誤，當罐體內液位大于100時，強制使液位的值停止增加；當液位為0時，液位賦值為0，且不能再減少。注入液體和釋放液體時，除了用腳本程序實現外也可以利用時間循環中斷(Cyclic interrupt，100ms的間隔)，每隔100ms運行一次程序塊，第一個程序段用了PLC中ADD加法指令，注入閥門打開液位變量增加；，釋放閥門打開，用SUB減法指令使液位降低。如圖5所示

圖5 液體變化循環中斷程序

當以上步驟完成后，液體混合實驗模塊就開發完成了，按此方法可以開發出其他的實驗模塊。學生在PLC編程環境完成編程及程序編譯，再啟動程序仿真和WINCC人機界面仿真，就可以直觀的調試程序，觀察被控對象的運行情況，并據此修改程序完成調試。本項目開發完成后，在近期PLC實驗教學的實踐中證明本系統能較真實地虛擬PLC實驗教學所需控制對象，提高學生的學習興趣，強化實驗教學效果，并能為專業人員提供PLC控制系統設計的輔助調試工具，具有一定的推廣價值。

[1]崔堅.SIMATIC S7-1500與TIA博途軟件使用指南.北京：機械工業出版社.2016

[2]曾洋.PLC仿真實驗平臺研究[D].杭州：電子科技大學，2010年：56-58.

[3]朱文杰.S7-1200 PLC編程與應用.北京：中國電力出版社.2015年

[4]劉長青.S7-1500 PLC項目設計與實踐.北京：機械工業出版社.2016年

胡天龍(1975-)，男，碩士，副教授，成都工業學院，研究方向機電設備控制；李世權，成都工業學院2013級機械電子工程學生；劉厚石，成都工業學院2016級機械電子工程學生。