WinCC在“電氣與PLC控制技術”課程教學中的應用

摘 要：隨著工業自動化水平的迅速提高，PLC和組態仿真技術在工業控制領域中得到了廣泛的應用。為了適應這一發展趨勢，提高應用型本科院校的工程應用能力，在高校“電氣與PLC控制技術”課程教學中，開展組態軟件與PLC的教學十分必要。本文以工程機械產品泵車控制為例，介紹了德國西門子公司產品S7-300 PLC與上位機組態軟件WinCC在教學中的應用。組態監控軟件能較好地模擬現場生產實踐情況，具有操作、報警、監控、存儲、打印的功能，通過MPI、PROFIDS-DP、點對點等多種通訊方式，能與PLC實現通訊，并可以對現場設備進行狀態及運動監控。WinCC具有人機界面友好，圖庫豐富，交互性強，性能穩定等優點。通過對該課程進行教學實踐改革，有利于提高應用型本科學生的工程實踐能力和技術創新能力。

關鍵詞：PLC；WinCC；泵車控制系統；組態；工程實踐

中圖分類號：TP273-4；G642 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）02-0165-04

Abstract：With the rapid improvement of industrial automation level，PLC and configuration simulation technology have been widely used in the field of industrial control. In order to adapt to this trend and improve the engineering application ability of application-oriented undergraduate colleges，it is necessary to carry out the teaching of configuration software and PLC in the course of “Electrical and PLC Control Technology” in colleges and universities. In this paper，the application of S7-300 PLC and WinCC in teaching is introduced，taking the control of pump truck as an example. Configuration monitoring software can simulate the field production practice well，and has the functions of operation，alarm，monitoring，storage and printing. It can communicate with PLC through MPI，PROFIDS-DP，point-to-point and other communication modes，and can monitor the status and movement of field equipment. WinCC has the advantages of friendly man-machine interface，rich library，strong interactivity and stable performance. Through the teaching practice reform of this course，it is beneficial to improve the engineering practice ability and technological innovation ability of applied undergraduate students.

Keywords：PLC；WinCC；pump truck control system；configuration；engineering practice

0 引 言

“電氣與PLC控制技術”具有很強的應用性和實踐性，是自動化及其相關專業的專業核心課程。隨著工業電氣自動化技術的發展，自動化人才培養的要求也越來越高，特別是在學生工程應用能力培養方面，這對應用型本科院校來說，顯得尤為重要。本課程根據自動化專業技術領域和職業崗位的任職要求并參考行業技術標準，改變了傳統教學中學科體系結構模式的教學方法，進行了項目導向的理論與實踐相結合的教學實踐改革，將組態軟件WinCC應用在該門課程中，控制工程機械產品。通過這樣的方式，不但可以使學生更直觀地理解產品的控制方式，而且還能應用仿真軟件實現項目的設計及測試。通過教學模式改革，不但可以培養學生的PLC電氣控制系統綜合設計、安裝與調試能力，而且還可以讓學生學習人機接口HMI技術，從而提高其工程應用能力，為其就業技術應用打下良好的基礎。

1 組態軟件WinCC概述

組態軟件的應用使工業控制的自動化程度大大提高。組態軟件SIMATIC WinCC（Windows Control Center）是“人”與“機”互相交流信息的窗口，目前被廣泛應用在各類工業控制設備中。WinCC將微軟公司和西門子公司的技術完美結合，通過將各類畫面通過交互形式進行切換與調用，使生產過程參數設置更加方便，圖形可視化更為直觀，并實現了對各種過程信息的實時監控，其具有功能強大、可靠性高、使用范圍廣的優點。它可以為用戶提供界面友好的仿真操作環境，而且此操作環境比實際系統更具智能性和可擴展性。WinCC在工程中應用廣泛，程序兼容性好，對于應用型本科高校開展教學十分必要。

2 西門子S7-300 PLC系統概述

隨著人工智能技術的發展，PLC將成為工業生產自動化的四大技術之首。S7-300 PLC是德國西門子公司技術非常成熟的產品，在市場的應用非常廣泛。采其用模塊式結構，可以與觸摸屏、WinCC實現上位機組態，也可以與S7-200 PLC和ET200聯網實現對現場設備的控制。

2.1 系統硬件介紹

系統編程采用了西門子S7-300 PLC軟件組態，與其匹配的硬件系統如圖1所示。

（1）電源模塊PS；

（2）中央處理器CPU包括以下五個部分：模式選擇開關、狀態與故障顯示燈、存儲器卡、MPI連接口、DP接口。中央處理器CPU的結構如圖2所示；

（3）信號模塊SM：1）數字輸入模塊DI；2）數字輸出模塊DO；

（4）功能模塊FM；

（5）通訊模塊CP。

2.2 系統軟件介紹

STEP 7是德國西門子中型S7-300/S7-400 PLC以及ET200的編程軟件，具有文件建檔、硬件組態、程序編程、仿真調試、參數設置、通訊組態、啟動和維護、運行和診斷等功能，是目前PLC編程軟件中最優秀的軟件。支持的編程語言有指令語句表（STL）、梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）三種基本編程語言，并且這三種語言在STEP 7之間可以相互轉換。

2.3 S7-300 PLC系統介紹

S7-300 PLC是一種模塊式結構，通過接電源模塊PS307獲得24V直流電，向CPU供電，CPU再通過背板U形總線將接口模塊IM數字量輸入信號模塊DI、數字輸出信號模塊DO、通訊模塊CP、功能模塊FM以及其他供電模塊。系統組成如圖3所示。

3 WinCC在PLC教學中的應用

3.1 系統的組態仿真構想

對PLC控制對象的模擬是實現整個系統仿真的關鍵。組態軟件通過組態技術，能夠模仿實際控制系統中所有按鈕、開關、傳感器等輸入量的動作變化，可以完成對工業現場各種被控設備的仿真模擬、圖形監控，并且實時反映設備的運行狀態。同時其也可以直接對PLC外部設備進行操作，形成仿真與實物兩種控制方式。組態仿真軟件運行方式與PLC相類似，采用周期性循環掃描的工作方式。

3.2 系統的構成與實現

利用西門子WinCC組態軟件來仿真設計PLC控制系統，在計算機中編寫好人機界面、利用圖形界面中的按鈕、開關來代替實際的按鈕、開關，并模仿其動作，用圖形來模擬實際的被控對象，通過計算機顯示器來在線觀察設備的運行情況，實現對被控對象的數據歸檔、報警記錄、存儲打印等控制過程及結果。圖4是控制系統結構示意圖。

上位機配置西門子公司S7-300 PLC編程軟件Step-7及模擬仿真器PLCsim、組態軟件WinCC，下位機采用西門子S7-300 PLC作為控制器。PLC與WinCC之間通過一條MPI通訊電纜相連接，完成上位機與PLC之間的數據通訊，并實時監控PLC的存儲器、控制器及輸人輸出接口狀態，以變量值的形式傳輸到計算機上并顯示出來，此系統數據呈現直觀，便于工作人員分析處理。

在項目教學中，學生通過上位機實時監控被控對象。被控對象不僅能夠接受現場控制指令信號還能根據PLC內部程序運算結果，將其以文字圖標、棒圖、動畫、曲線等形式在上位機顯示器上顯示出來，反映PLC的實際運行情況。通過這種方法可以提高學生的學習興趣，增強學生對該專業技術的感性認識，加深其對該控制過程的理解，最終實現其工程應用能力的提高。

4 泵車控制系統仿真實例

4.1 控制要求

泵車的控制要求是：泵車設有電源信號指示燈，按下啟動按鈕，系統啟動，信號燈亮；按下停止按鈕，泵車瞬間斷電，信號燈熄滅。

首先按下支腿伸按鈕，支腿伸出運動，2秒后支腿固定不動。然后按下臂架升按鈕，1-5節臂每隔2S鐘順序展開。操作完成后，按下臂架下降按鈕，1-5節臂隔2S鐘逆序收回。最后按支腿收按鈕，支腿收回，2S后回到原位。

出于安全考慮，若支腿沒有展開，則臂架不允許展開；臂架展開后，泵車支腿不允許收回，以免發生側翻安全事故。

4.2 PLC控制系統設計

4.2.1 PLC硬件設計

系統中用到的硬件型號及數量見表1。

4.2.2 PLC軟件設計

按照泵車控制要求設計的PLC軟件設計流程如圖5所示。

4.3 組態仿真畫面

將PLC置于運行狀態，進入WinCC運行環境。

初始狀態下，電源指示燈為灰色，按下啟動按鈕，電源指示燈為紅色。此時，按動畫面中的各個啟動按鈕，系統就會按照程序設計順序啟動，相應設備指示燈依次變為紅色。

按下停止按鈕，各個指示燈熄滅，泵車停止動作。泵車控制系統組態仿真畫面如圖6所示。

5 結 論

為了提高PLC工程應用能力，在“電氣與PLC控制技術”課程教學中引進在工程方面應用非常廣泛的WinCC組態仿真技術，有效地解決了PLC課程實驗中實際控制對象短缺的問題。另外，仿真控制對象圖庫豐富，開發簡單，研制周期短，可塑性強，成本低，不需要維護，還可根據其運動規律制作動畫、棒圖，直觀形象。通過畫面監控，還可以查找故障點，縮短維修時間。通過仿真組態技術教學，可以使實驗內容趣味化、多樣化、功能化，并能激發學生學習興趣，提高學生的動手能力，增加其工程實踐經驗，從而提高應用型本科高校的教學質量。

參考文獻：

[1] 李德英.電氣控制與PLC [M].上海：同濟大學出版社，2016.

[2] 陽同光，李德英，陳鋼，等.PLC技術及應用 [M].北京：清華大學出版社，2017.

[3] 王前厚.西門子WinCC從入門到精通 [M].北京：化學工業出版社，2017.

[4] 焦洪遠.PLC與WINCC組態軟件通訊方法研究 [J].西部皮革，2016，38（18）：8.

[5] 馬景龍.西門子S7-300及工控組態軟件WinCC的應用探究 [J].黑龍江科學，2017，8（14）：170-171.

[6] 郭金梅，趙立萍，周美蘭.基于組態技術的PLC仿真實驗教學平臺 [J].電氣電子教學學報，2018，40（1）：134-138.

[7] 郭軍.基于工控機組態與PLC控制系統的調試探究 [J].北京：自動化與儀器儀表，2017（11）：18-20.

[8] Zhou G，Zhu Z，Chen G，et al.Technique of WinCC Long-Distance Accessing Exterior SQL Server Database [C]// First International Workshop on Education Technology and Computer Science. IEEE Computer Society，2009：153-155.

[9] Cheded.Al-Mulla.Control of a Four-level Elevator System Using A Programmable Logic Controller [J].International Journal of Electrical Engineering Education，2003.

[10] Zhu X D.PLC group control to minimum waiting time of elevator [J].Hoisting & Conveying Machinery，2006.

[11] Bayindir R，Cetinceviz Y.A water pumping control system with a programmable logic controller （PLC）and industrial wireless modules for industrial plants—An experimental setup [J].Isa Transactions，2011，50（2）：321-328.

作者簡介：李德英（1968-），女，漢族，湖南婁底人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：自動化的科研與教學。