基于PLCSIM和真實PLC的分布式教學(xué)平臺設(shè)計和實現(xiàn)

摘要：設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于PLCSIM和真實PLC的分布式教學(xué)平臺，使用PLCSIM代替價格昂貴的操作站PLC，大幅降低了學(xué)校在實習(xí)實訓(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PLC;分布式;教學(xué)平臺

0 引言

隨著我國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)型升級[1]，我國制造業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備正在從獨立式、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，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。目前，各高校大部分采用的是實訓(xùn)平臺實訓(xùn)模式，設(shè)備采購、維護、更換升級都需要大量的資金投入。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于PLCSIM和真實PLC的分布式教學(xué)平臺，使用PLCSIM代替價格昂貴的操作站PLC，管控底層現(xiàn)場控制單元，達到幫助學(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)校在實習(xí)實訓(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)平臺的總體設(shè)計

本教學(xué)平臺采用PLCSIM（虛擬PLC，軟PLC）代替價格昂貴的300型、400型PLC，保留底層價格便宜的SMART 200系列PLC，可低成本實現(xiàn)學(xué)生大規(guī)模的DCS系統(tǒng)實習(xí)實訓(xùn)。設(shè)計的分布式教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本平臺主要由PLCSIM和MCGS組成的操作站以及200 SMART PLC和應(yīng)用場景組成的現(xiàn)場控制單元組成。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用于模擬真實的PLC運行編寫的程序，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)控程序運行任務(wù)。

2 教學(xué)平臺搭建

2.1? ? SIMATIC Manager軟件

SIMATIC Manager是西門子開發(fā)的對300型、400型PLC進行編程和調(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控制（伺服、變頻）PLC，具有極高的性價比。

2.3? ? PLCSIM軟件

PLCSIM軟件用來模擬真實的PLC完成數(shù)字量和模擬量輸入/輸出、邏輯程序運行、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)和運行環(huán)境

本設(shè)計選用通用版MCGS作為人機界面（HMI）組態(tài)開發(fā)和運行環(huán)境軟件。MCGS開發(fā)軟件分為3個版本：嵌入式版、通用版和網(wǎng)絡(luò)版。嵌入式版MCGS需要配合實際的觸摸屏使用，網(wǎng)絡(luò)版MCGS控件相對較少，且學(xué)生學(xué)習(xí)以本機學(xué)習(xí)為主。MCGS開發(fā)運行環(huán)境主要用來對操作站PLC的數(shù)據(jù)進行交互，實現(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)境和運行環(huán)境，組態(tài)環(huán)境用于人機界面實現(xiàn)、控制邏輯編制、設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)連接等[2]，MCGS運行環(huán)境為開發(fā)環(huán)境完成的程序提供運行環(huán)境。

2.5? ? 數(shù)據(jù)的橋接

由于PLCSIM無法和真實的PLC進行通信，因此需要使用橋接軟件完成PLCSIM和外界PLCSIM、MCGS運行環(huán)境之間的通信。本系統(tǒng)選用NetToPLCsim作為PLCSIM、200 SMART PLC和MCGS運行環(huán)境的橋接工具。

3 調(diào)試與運行

為了驗證該分布式教學(xué)平臺的可行性，本設(shè)計以三級傳送帶啟停為例，調(diào)試分布式教學(xué)平臺。本實例用MCGS開發(fā)的HMI界面顯示三級傳送帶運行狀態(tài)并控制操作站PLC（PLCSIM），操作站PLC（PLCSIM）只給200 SMART PLC發(fā)送啟動和停止控制信號，三級傳送帶控制程序在現(xiàn)場控制單元PLC中編寫。三級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，對啟動順序有一定的要求。本實例的要求為啟動時，第一級傳送帶啟動2 s后，第二級傳送帶啟動，3 s后，第三級傳送帶啟動。停止時，三級傳送帶同時停止。

本實例使用兩臺PC和一臺200 SMART PLC來實現(xiàn)操作站工作站和現(xiàn)場控制單元的功能。操作站工作站（PC1）實現(xiàn)操作站PLC的仿真、信號的橋接和MCGS開發(fā)運行環(huán)境的運行。現(xiàn)場控制單元（PC2和200 SMART PLC）實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)的程序編寫和運行，三級傳送帶啟停的控制信號由200 SMART PLC的數(shù)字量輸入/輸出端口信號模擬。

3.1? ? PLC程序的設(shè)計

3.1.1? ? 三級傳送帶啟停的工作原理

三級傳送帶的啟停控制由200 SMART PLC實現(xiàn)，需要在STEP 7-Micro/WIN SMART中編寫控制邏輯。對本實例中三級傳送帶啟停狀態(tài)進行分析，三級傳送帶啟停程序狀態(tài)如表1所示。

3.1.2? ? 信號分配

由于控制邏輯在200 SMART PLC中編寫，啟停的信號可由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。通過對系統(tǒng)架構(gòu)的分析，設(shè)計本平臺的信號分配表，如表2所示。

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

由于三級傳送帶的控制邏輯在200 SMART PLC中編寫，啟動和停止信號由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)實現(xiàn)。

3.1.4? ? 編制PLC程序

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

3.2? ? MCGS程序設(shè)計

MCGS程序設(shè)計分為三大部分：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（運行MCGS程序的計算機IP地址）的設(shè)置、遠程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NetToPLCsim和MCGS編寫的HMI程序。運行的分布式教學(xué)平臺效果如圖3所示。

4 結(jié)語

本文以三級傳送帶啟停程序的調(diào)試和運行為例，驗證了設(shè)計的基于PLCSIM和真實PLC的分布式教學(xué)平臺運行正常，能夠滿足PLC的分布式教學(xué)要求。設(shè)計的教學(xué)平臺使用PLCSIM代替價格昂貴的操作站PLC，可以大幅降低學(xué)校在實習(xí)實訓(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]

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

[2] 馮軍磊，王艷平.基于MCGS和PLCSim的虛擬教學(xué)實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機電信息，2020（6）：70-71.

收稿日期：2021-02-22

作者簡介：馮軍磊（1989—），男，河南西平人，助教，研究方向：計算機檢測與控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、機電一體化。