基于KingView的PLC虛擬仿真實驗項目的設計與實現

劉文秀，彭昕昀，韓竺秦，王杏進

（韶關學院智能工程學院，韶關 512005）

0 引言

實驗教學是可編程控制器（PLC）課程的重要環節。通過實驗環節，學生完成實驗內容，加深對理論知識的理解，同時提高學生的專業技能。當前，高校開展的PLC 實驗內容主要是通過實驗箱或實訓臺進行。通過實驗箱上的按鈕和LED 指示燈模擬控制系統的工作過程，此實驗過程顯得系統的控制過程過于簡單、單調，與實際工業自動控制工藝脫節嚴重，學生學習積極性不高，達不到理想的實踐教學目標。另外，由于辦學經費有限，針對各個控制對象搭建物理模型非常不現實，同時存在設備更新快、價格昂貴、設備維修維護困難等問題。為提高實踐教學環節的質量，韶關學院自動化系PLC 課程組教學團隊設計了基于組態王軟件的虛擬仿真交互的PLC 實驗項目。在實驗項目中，通過組態王軟件實現對控制系統的被控對象、傳感器、執行器等的搭建，實現動畫的設計。通過組態王軟件與西門子S7-200 SMART PLC 通信，由PLC實現控制功能，通過上位機組態王動畫界面對系統的工作過程動態監控，學生可以通過計算機端直觀的感受自己設計的程序對組態王上搭建的被控對象模型的控制及運行，具有較強的沉浸感。實踐證明，虛擬仿真實驗項目的開發，豐富了教學資源，拓展了實驗內容的深度和廣度，培養了學生進行實驗設計、實驗調試的綜合能力，同時收獲了良好的教學效果，降低了設備采購成本［1］。

1 虛擬仿真實驗項目軟硬件平臺搭建

虛擬仿真實驗項目系統框架如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗項目系統框架

個人計算機安裝S7-200 SMART PLC 的編程軟件及KingView 組態王軟件及其驅動程序。計算機與S7-200 SMART PLC 間采用以太網通訊方式實現程序的下載及程序的調試。

1.1 組態王軟件介紹

組態軟件一般用于自動控制系統的監控層［2］。組態軟件提供了監控層的軟件平臺和開發環境，通過靈活的組態方式，可使用戶快速構建工業自動控制系統監控功能。目前市場上的各種組態軟件都支持各種工控設備和常見的通信協議。用戶可以利用組態軟件的功能構建一套最適合自己的應用系統。

目前，常見的監控組態軟件有美國Wonderware 公 司 的Intouch、Intellution 公 司 的FIX 系統、德國西門子公司的WinCC 等，國內主要有昆侖公式的MCGS、亞控公司的KingView 組態王、三維公司的力控等組態軟件。各個組態軟件的功能類似，都采用類似資源瀏覽器的窗口結構，并對工業控制系統中的各種資源（設備、標簽量、畫面、控制流程等）進行配置和編輯，都提供多種數據設備驅動程序，都使用腳本語言提供二次開發的功能。

PLC 課題組教師教學采用亞控公司的KingView 組態王軟件實現各種不同應用場景的仿真模型，實現了PLC虛擬仿真實驗項目的建設。

1.2 KingView組態王軟件與西門子S7-200 SMART PLC通訊參數的設置

為實現KingView 組態王軟件與西門子S7-200 SMART PLC 的通訊，首先安裝組態王驅動程序［3］。然后啟動組態王軟件，進入工程瀏覽器頁面，單擊com1，點擊旁邊的“新建”，在彈出的對話框中選擇PLC 類型，接下來設置PLC 的IP 地址等參數，如圖2所示。

圖2 組態王軟件與西門子S7-200 SMART PLC通訊參數的設置

2 虛擬仿真實驗項目總體設計

利用組態王軟件，建立虛擬仿真被控對象模型呈現在計算機顯示器上，通過在組態王軟件中定義PLC 的I/O 離散量及組態程序中的整型數據、實型數據等，借助組態軟件與PLC 硬件設備的通訊，實現按照組態控制要求和程序指令要求發送給PLC，實現對物理設備的控制及上位機對物理設備參數的讀取，在上位機上實現物理模型的仿真動畫［4］。

結合韶關學院現有的PLC 實驗箱、實訓臺等硬件條件，開發了PLC 虛擬仿真實驗項目。系統整體結構框圖如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實驗項目整體結構

3 開發案例——液體混合控制系統的設計與實現

下面以液體混合控制系統為例［5］，介紹虛擬仿真實驗項目的設計過程。

3.1 液體混合控制系統的工藝要求

按下起動按鈕，液體閥門Y1打開，開始注入液體A。當液面達到液位傳感器L2 位置時關閉液體閥門Y1，停止注入液體A。同時液體閥門Y2打開，注入液體B，當液面達到液位傳感器L1 位置時關閉液體閥門Y2，停止注入液體B，開啟攪拌機M，攪拌4 s，停止攪拌。同時液體閥門Y3打開，開始放出液體至液體高度L3，再經2 s 停止放出液體。同時液體A 注入。開始循環。按停止按扭，所有操作都停止，須重新啟動。

圖4 液體混合控制系統示意圖

3.2 液體混合控制系統的I/O分配

依據控制系統的功能，系統輸入點包括起動、停止以及三個液位傳感器共5 個點，系統輸出控制3 個閥門及一個電機共4 個點，因此系統的I/O分配表如表1所示。

表1 系統的I/O分配

依據系統控制工藝，分配系統的輸入輸出點，編寫PLC 的梯形圖，實現梯形圖程序的調試。

3.3 組態王軟件中變量的定義

在組態王軟件中定義的變量包括PLC 的5 個輸入點及4個輸出點，另外要實現液體A、液體B及存儲罐的液體的動態流動畫面定義了3 個內存實型變量，為模擬電機攪拌的過程設定了1 個內存實型變量。具體定義的變量如圖5所示。

圖5 組態王軟件中變量的定義

3.4 仿真監控畫面的設計

在組態王的畫面窗口實現仿真頁面的設計［6］。本系統的仿真畫面如圖6 所示。通過畫面直觀的展示了液體混合控制的工藝過程及PLC 的I/O 點的運行情況。此畫面包含了電動機、攪拌器、反應器、按鈕、指示燈、管道、閥門等元素，這些元素可以在圖庫中尋找，或者用戶也可以自行繪制。

圖6 液體混合控制系統組態王監控界面

對畫面中的元素進行動畫連接。其中按鈕、指示燈、傳感器、閥門等與PLC 的I/O 點相關聯。為了形象的模擬液體的流動、攪拌等動畫，將組態畫面中圖素的動畫屬性與組態王中內存實型數據進行連接。

3.5 組態王腳本程序的編寫

腳本程序的編寫。在腳本程序中判斷三個閥門的邏輯狀態值，依據判斷結果實現液體變量的加或減，從而實現液面的上升或下降的動畫效果。攪拌器的葉片的旋轉模擬，通過葉片的隱含或顯示來實現旋轉的動畫模擬。部分腳本程序如圖7所示。

圖7 部分腳本程序

3.6 系統運行調試

將PLC 置于RUN 狀態，組態王界面切換到VIEW，進入運行界面，選擇“畫面/打開”，選中設計好的液體混合控制頁面，進入動態仿真調試過程，按下組態王界面的“起動”按鈕，進入系統調試的過程，若動畫達不到仿真效果，可以查看圖素關聯的變量是否正確，或者修改腳本程序，直到仿真動畫過程達到工藝要求。

4 結語

開發PLC 虛擬仿真實驗項目，并將其運用到教學實踐中，成功的實現了各種被控對象的工作過程的動態仿真，學生的學習積極性得到了提高，對提升學生實踐動手能力也非常有幫助。虛擬仿真實驗項目的開發，取得了較好的教學效果。