劉文秀，彭昕昀，韓竺秦，王杏進(jìn)

（韶關(guān)學(xué)院智能工程學(xué)院，韶關(guān) 512005）

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是可編程控制器（PLC）課程的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)提高學(xué)生的專業(yè)技能。當(dāng)前，高校開(kāi)展的PLC 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嵱?xùn)臺(tái)進(jìn)行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱上的按鈕和LED 指示燈模擬控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，此實(shí)驗(yàn)過(guò)程顯得系統(tǒng)的控制過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)單、單調(diào)，與實(shí)際工業(yè)自動(dòng)控制工藝脫節(jié)嚴(yán)重，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，達(dá)不到理想的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。另外，由于辦學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，針對(duì)各個(gè)控制對(duì)象搭建物理模型非常不現(xiàn)實(shí)，同時(shí)存在設(shè)備更新快、價(jià)格昂貴、設(shè)備維修維護(hù)困難等問(wèn)題。為提高實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，韶關(guān)學(xué)院自動(dòng)化系PLC 課程組教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于組態(tài)王軟件的虛擬仿真交互的PLC 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，通過(guò)組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象、傳感器、執(zhí)行器等的搭建，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)。通過(guò)組態(tài)王軟件與西門(mén)子S7-200 SMART PLC 通信，由PLC實(shí)現(xiàn)控制功能，通過(guò)上位機(jī)組態(tài)王動(dòng)畫(huà)界面對(duì)系統(tǒng)的工作過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，學(xué)生可以通過(guò)計(jì)算機(jī)端直觀的感受自己設(shè)計(jì)的程序?qū)M態(tài)王上搭建的被控對(duì)象模型的控制及運(yùn)行，具有較強(qiáng)的沉浸感。實(shí)踐證明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，豐富了教學(xué)資源，拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度，培養(yǎng)了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)調(diào)試的綜合能力，同時(shí)收獲了良好的教學(xué)效果，降低了設(shè)備采購(gòu)成本［1］。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目軟硬件平臺(tái)搭建

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目系統(tǒng)框架

個(gè)人計(jì)算機(jī)安裝S7-200 SMART PLC 的編程軟件及KingView 組態(tài)王軟件及其驅(qū)動(dòng)程序。計(jì)算機(jī)與S7-200 SMART PLC 間采用以太網(wǎng)通訊方式實(shí)現(xiàn)程序的下載及程序的調(diào)試。

1.1 組態(tài)王軟件介紹

組態(tài)軟件一般用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控層［2］。組態(tài)軟件提供了監(jiān)控層的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)靈活的組態(tài)方式，可使用戶快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能。目前市場(chǎng)上的各種組態(tài)軟件都支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通信協(xié)議。用戶可以利用組態(tài)軟件的功能構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)。

目前，常見(jiàn)的監(jiān)控組態(tài)軟件有美國(guó)Wonderware 公 司 的Intouch、Intellution 公 司 的FIX 系統(tǒng)、德國(guó)西門(mén)子公司的WinCC 等，國(guó)內(nèi)主要有昆侖公式的MCGS、亞控公司的KingView 組態(tài)王、三維公司的力控等組態(tài)軟件。各個(gè)組態(tài)軟件的功能類似，都采用類似資源瀏覽器的窗口結(jié)構(gòu)，并對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種資源（設(shè)備、標(biāo)簽量、畫(huà)面、控制流程等）進(jìn)行配置和編輯，都提供多種數(shù)據(jù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，都使用腳本語(yǔ)言提供二次開(kāi)發(fā)的功能。

PLC 課題組教師教學(xué)采用亞控公司的KingView 組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)各種不同應(yīng)用場(chǎng)景的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了PLC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)。

1.2 KingView組態(tài)王軟件與西門(mén)子S7-200 SMART PLC通訊參數(shù)的設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)KingView 組態(tài)王軟件與西門(mén)子S7-200 SMART PLC 的通訊，首先安裝組態(tài)王驅(qū)動(dòng)程序［3］。然后啟動(dòng)組態(tài)王軟件，進(jìn)入工程瀏覽器頁(yè)面，單擊com1，點(diǎn)擊旁邊的“新建”，在彈出的對(duì)話框中選擇PLC 類型，接下來(lái)設(shè)置PLC 的IP 地址等參數(shù)，如圖2所示。

圖2 組態(tài)王軟件與西門(mén)子S7-200 SMART PLC通訊參數(shù)的設(shè)置

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

利用組態(tài)王軟件，建立虛擬仿真被控對(duì)象模型呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)顯示器上，通過(guò)在組態(tài)王軟件中定義PLC 的I/O 離散量及組態(tài)程序中的整型數(shù)據(jù)、實(shí)型數(shù)據(jù)等，借助組態(tài)軟件與PLC 硬件設(shè)備的通訊，實(shí)現(xiàn)按照組態(tài)控制要求和程序指令要求發(fā)送給PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的控制及上位機(jī)對(duì)物理設(shè)備參數(shù)的讀取，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)物理模型的仿真動(dòng)畫(huà)［4］。

結(jié)合韶關(guān)學(xué)院現(xiàn)有的PLC 實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)訓(xùn)臺(tái)等硬件條件，開(kāi)發(fā)了PLC 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)

3 開(kāi)發(fā)案例——液體混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

下面以液體混合控制系統(tǒng)為例［5］，介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.1 液體混合控制系統(tǒng)的工藝要求

按下起動(dòng)按鈕，液體閥門(mén)Y1打開(kāi)，開(kāi)始注入液體A。當(dāng)液面達(dá)到液位傳感器L2 位置時(shí)關(guān)閉液體閥門(mén)Y1，停止注入液體A。同時(shí)液體閥門(mén)Y2打開(kāi)，注入液體B，當(dāng)液面達(dá)到液位傳感器L1 位置時(shí)關(guān)閉液體閥門(mén)Y2，停止注入液體B，開(kāi)啟攪拌機(jī)M，攪拌4 s，停止攪拌。同時(shí)液體閥門(mén)Y3打開(kāi)，開(kāi)始放出液體至液體高度L3，再經(jīng)2 s 停止放出液體。同時(shí)液體A 注入。開(kāi)始循環(huán)。按停止按扭，所有操作都停止，須重新啟動(dòng)。

圖4 液體混合控制系統(tǒng)示意圖

3.2 液體混合控制系統(tǒng)的I/O分配

依據(jù)控制系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)輸入點(diǎn)包括起動(dòng)、停止以及三個(gè)液位傳感器共5 個(gè)點(diǎn)，系統(tǒng)輸出控制3 個(gè)閥門(mén)及一個(gè)電機(jī)共4 個(gè)點(diǎn)，因此系統(tǒng)的I/O分配表如表1所示。

表1 系統(tǒng)的I/O分配

依據(jù)系統(tǒng)控制工藝，分配系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)，編寫(xiě)PLC 的梯形圖，實(shí)現(xiàn)梯形圖程序的調(diào)試。

3.3 組態(tài)王軟件中變量的定義

在組態(tài)王軟件中定義的變量包括PLC 的5 個(gè)輸入點(diǎn)及4個(gè)輸出點(diǎn)，另外要實(shí)現(xiàn)液體A、液體B及存儲(chǔ)罐的液體的動(dòng)態(tài)流動(dòng)畫(huà)面定義了3 個(gè)內(nèi)存實(shí)型變量，為模擬電機(jī)攪拌的過(guò)程設(shè)定了1 個(gè)內(nèi)存實(shí)型變量。具體定義的變量如圖5所示。

圖5 組態(tài)王軟件中變量的定義

3.4 仿真監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)

在組態(tài)王的畫(huà)面窗口實(shí)現(xiàn)仿真頁(yè)面的設(shè)計(jì)［6］。本系統(tǒng)的仿真畫(huà)面如圖6 所示。通過(guò)畫(huà)面直觀的展示了液體混合控制的工藝過(guò)程及PLC 的I/O 點(diǎn)的運(yùn)行情況。此畫(huà)面包含了電動(dòng)機(jī)、攪拌器、反應(yīng)器、按鈕、指示燈、管道、閥門(mén)等元素，這些元素可以在圖庫(kù)中尋找，或者用戶也可以自行繪制。

圖6 液體混合控制系統(tǒng)組態(tài)王監(jiān)控界面

對(duì)畫(huà)面中的元素進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接。其中按鈕、指示燈、傳感器、閥門(mén)等與PLC 的I/O 點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。為了形象的模擬液體的流動(dòng)、攪拌等動(dòng)畫(huà)，將組態(tài)畫(huà)面中圖素的動(dòng)畫(huà)屬性與組態(tài)王中內(nèi)存實(shí)型數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。

3.5 組態(tài)王腳本程序的編寫(xiě)

腳本程序的編寫(xiě)。在腳本程序中判斷三個(gè)閥門(mén)的邏輯狀態(tài)值，依據(jù)判斷結(jié)果實(shí)現(xiàn)液體變量的加或減，從而實(shí)現(xiàn)液面的上升或下降的動(dòng)畫(huà)效果。攪拌器的葉片的旋轉(zhuǎn)模擬，通過(guò)葉片的隱含或顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)畫(huà)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(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

將PLC 置于RUN 狀態(tài)，組態(tài)王界面切換到VIEW，進(jìn)入運(yùn)行界面，選擇“畫(huà)面/打開(kāi)”，選中設(shè)計(jì)好的液體混合控制頁(yè)面，進(jìn)入動(dòng)態(tài)仿真調(diào)試過(guò)程，按下組態(tài)王界面的“起動(dòng)”按鈕，進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試的過(guò)程，若動(dòng)畫(huà)達(dá)不到仿真效果，可以查看圖素關(guān)聯(lián)的變量是否正確，或者修改腳本程序，直到仿真動(dòng)畫(huà)過(guò)程達(dá)到工藝要求。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)PLC 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并將其運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐中，成功的實(shí)現(xiàn)了各種被控對(duì)象的工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到了提高，對(duì)提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力也非常有幫助。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，取得了較好的教學(xué)效果。