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1、组态软件 WinCC 与 S7-PLCSIM 在 PLC 教学中的应用 许仙珍;单长考【摘 要】针对 PLC 教学中缺少工业背景、直观性差等问题，将组态仿真技术引入PLC 教学，构建仿真教学系统。仿真系统开发主要包括组态界面设计和 PLC 编程两个部分。通过 WinCC 组态软件与 PLCSIM 仿真软件连接与通讯，可以直观地模拟各类工业对象的控制过程。应用结果表明，组态仿真技术与 PLC 教学结合能极大地丰富教学内容和增强教学生动性，从而取得较好的教学效果。%Considering the problems of lacking industrial background,poor intu
2、ition,etc.,configuration and simulation technologies are introduced into the PLC teaching in this paper to construct simulation teaching system.The development of simulation system mainly includes configuration interface design and PLC programming.A variety of industrial control processes can be sim
3、ulated visually by the connectivity and communication between WinCC configuration software and PLCSIM simulation software.The application results show that combination of configuration and simulation technology with PLC teaching can greatly enrich the teaching content and enhance teaching intuition,
4、so as to achieve better teaching results.【期刊名称】常熟理工学院学报【年(卷),期】2012(000)010【总页数】4 页(P104-107)【关键词】PLC 教学;组态软件;仿真;WinCC【作 者】许仙珍;单长考【作者单位】常熟理工学院,电气与自动化工程学院,江苏 常熟 215500;常熟理工学院,电气与自动化工程学院,江苏 常熟 215500【正文语种】中 文【中图分类】TP273;G642.0 可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是综合计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型自动控制装置，它具
5、有功能强、可靠性高、易于编程等一系列优点，已经广泛应用于钢铁、电力、化工、造纸等众多行业.随之，PLC 控制技术已成为电气类、自动化类专业的一门必修课1-4.我校也一直将其作为重点课程来建设，教学内容涉及三菱 FX2 系列和西门子 S7 系列，以 S7 系列 PLC 为主.PLC 课程是一门实践性非常强的课程，与工程实际联系密切.PLC 的控制功能只凭理论分析是很难体现出来的，要想将抽象技术知识形象生动地传授给学生，则需要在教学过程中借助于实验设备开发应用实例并给予学生充分的训练.近几年来学校建立了西门子实验中心，各配置了十几套 S7-300 和 S7-200 实验装置，满足了实践教学的需要.
6、但教学中仍存在一些问题：1）目前实验方式都采用 PC+PLC+对象的方式，控制效果由对象模块来体现.但现有实验装置中的各个控制对象多采用教学仪器厂（或自制）的模拟模块来代替，一般只用指示灯来指示通断状态，缺少运动部分，不够直观；2）该课程大部分课时是理论教学，在多媒体教室进行.由于缺少硬件设备，讲解典型实例时无法现场加以演示，学生难以对控制系统要求和控制性能有较好的感性认识，3）学生多，设备少，现有的实验装置难以给学生提供足够的操作时间.问题的关键在于 PLC 控制对象，若能用计算机全真模拟被控对象，则可利用有限设备及多样化的程序丰富教学的内容和直观性.本文将组态仿真软件引入 PLC 教学，利
7、用组态软件可以仿真多种 PLC 控制对象与各种工业现场环境，并以动画形式在PC 机上展现，使得教学内容更加丰富、生动、直观；而仿真软件可以代替 PLC 硬件设备实现各种控制功能，以避免硬件上的限制.西门子公司推出的 WinCC 组态软件集成了数据采集监控系统（SCADA）、组态、脚本语言和 OPC 等先进技术，是 SIMATIC 全集成自动化系统的重要组成部分.它具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全3，5.可用来开发 PLC 仿真控制对象.仿真系统采用上位机+下位机的构成方式，上位机为普通的 PC 机，安装 WinCC V6.0 与西门子编程软件 STEP7-Micr
8、oWIN V4.0，下位机为西门子 S7 系列 PLC.若在课堂教学，则下位机采用 PLCSIM 仿真软件代替.上位机与下位机的通讯可采用多种方式，如 MPI、PROFIBUS DP、OPC 等.WinCC 组态软件通过通信接口监控 PLC 所有存储器及 I/O 接口的状态，以变量值的形式传输到计算机上，供人机界面组态与显示.利用 WinCC 组态软件可以仿真多种 PLC 控制对象.被控对象的工艺流程和动态显示通过组态软件画面组态实现.WinCC 可以接受多种由 PLC（仿真软件）发出的状态信号和数值信号，按照程序算法以动画、数值、文字等形式在画面上显示；也可通过按钮、I/O 域等形式向 PL
9、C 发出各种命令和输出各种参数，以配合 PLC 控制，反映 PLC 与模拟被控对象及控制结果之间的关系.要使画面中仿真控制对象能够生动、逼真地运动或显示，在组态软件中需定义一些内部变量，与外部变量相配合，通过各种组态方式驱动画面.在教学中，学生既可将计算机看作“被控对象”，用 PLC 对其进行控制；又可在屏幕上以动画形式直观看到程序的执行结果.这有利于提高学生的学习兴趣，增强学生的参与意识.仿真系统具体实施过程如下：1）在 SIMATIC 管理器中生成项目，编写 PLC 控制程序.2）设置 PG/PC 接口，将控制程序下载到 PLC 或仿真 PLC.3）在 WinCC 管理器中生成项目，建立和
10、编辑反映被控对象动作过程的监控画面.4）组态变量，建立 WinCC 与 PLC 或 PLCSIM 的通讯连接.5）运行控制系统，观察控制效果.下面以简单的三节皮带运输机为例来说明组态仿真软件在 PLC 教学中的应用.3.1 控制要求分析 三节皮带运输机控制系统中，1#、2#和 3#皮带分别由电动机 M1、M2 和 M3 拖动，给料机闸门 L 由电磁阀 Y 控制，Y 得电，料门 L 打开；反之，料门 L 关闭.PLC 的控制要求如下3：1）逆物流方向的顺序起动控制 按下起动按钮，3#皮带机先起动；延时 3 秒后 2#皮带机自起动；再过 3 秒，1#皮带机自起动，同时料门 L 打开，起动过程结束.
11、2）顺物流方向顺序停车控制3 按下停止按钮，关闭料门 L；5 秒后，停止 1#皮带机；再延时 5 秒，2#皮带机自动停止；再过 5 秒，3#皮带机停止，停车过程结束.在起动过程中，若按下停止按钮，则将已起动的传输带停止，停车过程仍采用后起动的皮带机先停止的原则.3.2 编写控制程序 根据控制要求编写 PLC 程序，图 1 是三节传输带的顺序功能图.在 STEP7 中创建项目、组态硬件、设置 CPU 参数，并编写 OB100 和 OB1 程序代码.程序输入完毕后，将它下载到 PLC 或仿真 PLC 中.因为是在理论课上演示，本例采用的是仿真 PLC.打开 PG/PC 接口对话框，选用 PLCSI
12、M（MPI）接口，然后在SIMATIC 管理器中下载所有程序块到仿真 PLC.在 PLCSIM 中创建所需监控的视图对象，如图 2 所示.3.3 通讯连接与外部变量定义 启动 WinCC 并创建一个新项目.在变量管理器中添加一个新驱动“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”.选中该驱动下的 MPI 项，右击鼠标选择“新驱动程序的连接”，在弹出的“连接属性”对话框中，输入连接名称为“PLC1”，点击属性按钮，打开“连接参数”对话框，在对话框中指定 PLC 控制器的站地址、机架号、插槽号等，完成 WinCC 与 PLC 间通过 MPI 通讯口的连接设置.在建立的连接“PLC1
13、”中可以添加外部变量，本例中的新建的外部变量如表 1 所示.3.4 画面设计与组态 在 WinCC 管理器窗口，打开“图形编辑器”，创建三节传输带的监控画面，如图3 所示，按照直观、动态、形象的原则组态控制对象的动态属性.3.5 项目运行 在完成以上操作后，在仿真 PLC 窗口中，将 PLC 的 CPU 置于 RUN-P 模式，此时M0.0 的单选框出现符号“”，表示 M0.0 状态为 1，系统已进入初始步.然后激活 WinCC 项目.WinCC 运行窗口出现三节传输带运行画面.按下画面中的起动按钮，3#皮带机的两端轮子动态旋转，表示 3#传输带开始起动，如图 3（a）所示，同时在上方中间位置
14、会出现一行蓝色文字“传输带起动中”，提示系统正在起动过程中.过 3 秒，2#传输带两端旋转，再延时一段时间，1#传送机旋转起动，同时与料门 L 对应的红色变为绿色，表示料门 L 打开.此时，起动提示文字消失，起动过程结束，系统进入运行状态，如图3（b）所示.点击画面上的停止按钮，料门 L 关闭，颜色变为红色；延时一段时间后，1#传输机停止转动；再延时一段时间，2#传输带停止转动，如图 3（c）所示；如此依次停止，直到所有传输带顺序关闭.如果同时监控过程画面和 PLCSIM 窗口视图，则会发现对象状态的变化是一致的.这样更便于学生了解程序步转换状态与被控对象的对应关系，以及变量数据的传递关系.W
15、inCC 组态软件提供了良好的人机界面，可进行整个系统的监控和管理.它所提供的丰富图库和标准对象为多种工业过程或被控对象的场景开发提供了极大的便利.实验教学中，利用组态软件既可以使被控对象更加逼真，增强临场感；又可以开发更多应用实例，丰富实验内容.理论教学中，利用组态软件和仿真软件对 PLC 控制项目进行仿真模拟，可以直观监控 PLC 的整个控制过程，测试 PLC 控制程序的正确与否.WinCC 组态软件和 PLC 及 PLCSIM 软件的有机配合使用，有助于加深学生对教学内容的理解，增强学生的学习兴趣，从而提高教学质量.另外，这种基于组态软件和仿真软件的教学方法，可以在同一台电脑上利用Win
16、CC 软件和 STEP7 程序进行通讯，完全可以脱离硬件而进行程序演示或调试.现在学生电脑的普及率很高，只要安装了相应软件，学生就可以脱离实验室进行操作练习，从而增加学生动手操作和训练的机会.【相关文献】1匡宇国.MCGS 组态软件技术在 PLC 教学中的交互应用研究J.教育探索，2007（12）：136-137.2刘美兰.PLC 控制教学实验系统的设计J.实验室研究与探索，2004，23（2）：26-27.3宁玉珊.WinCC 工控软件在 S7 程序仿真调试中的应用J.南方金属，2008，161：28-30.4廖常初.S7-300/400 PLC 应用教程M.北京：机械工业出版社，2011.5刘华波，王雪，何文雪，等.组态软件 WinCC 及其应用M.北京：机械工业出版社，2010.