摘 要：隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，PLC和組態(tài)仿真技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，提高應(yīng)用型本科院校的工程應(yīng)用能力，在高?！半姎馀cPLC控制技術(shù)”課程教學(xué)中，開展組態(tài)軟件與PLC的教學(xué)十分必要。本文以工程機(jī)械產(chǎn)品泵車控制為例，介紹了德國西門子公司產(chǎn)品S7-300 PLC與上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC在教學(xué)中的應(yīng)用。組態(tài)監(jiān)控軟件能較好地模擬現(xiàn)場生產(chǎn)實踐情況，具有操作、報警、監(jiān)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(xiàn)通訊，并可以對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)及運動監(jiān)控。WinCC具有人機(jī)界面友好，圖庫豐富，交互性強，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。通過對該課程進(jìn)行教學(xué)實踐改革，有利于提高應(yīng)用型本科學(xué)生的工程實踐能力和技術(shù)創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：PLC；WinCC；泵車控制系統(tǒng)；組態(tài)；工程實踐

中圖分類號：TP273-4；G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)”具有很強的應(yīng)用性和實踐性，是自動化及其相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程。隨著工業(yè)電氣自動化技術(shù)的發(fā)展，自動化人才培養(yǎng)的要求也越來越高，特別是在學(xué)生工程應(yīng)用能力培養(yǎng)方面，這對應(yīng)用型本科院校來說，顯得尤為重要。本課程根據(jù)自動化專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域和職業(yè)崗位的任職要求并參考行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)科體系結(jié)構(gòu)模式的教學(xué)方法，進(jìn)行了項目導(dǎo)向的理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)實踐改革，將組態(tài)軟件WinCC應(yīng)用在該門課程中，控制工程機(jī)械產(chǎn)品。通過這樣的方式，不但可以使學(xué)生更直觀地理解產(chǎn)品的控制方式，而且還能應(yīng)用仿真軟件實現(xiàn)項目的設(shè)計及測試。通過教學(xué)模式改革，不但可以培養(yǎng)學(xué)生的PLC電氣控制系統(tǒng)綜合設(shè)計、安裝與調(diào)試能力，而且還可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)人機(jī)接口HMI技術(shù)，從而提高其工程應(yīng)用能力，為其就業(yè)技術(shù)應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

1 組態(tài)軟件WinCC概述

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

2 西門子S7-300 PLC系統(tǒng)概述

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，PLC將成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的四大技術(shù)之首。S7-300 PLC是德國西門子公司技術(shù)非常成熟的產(chǎn)品，在市場的應(yīng)用非常廣泛。采其用模塊式結(jié)構(gòu)，可以與觸摸屏、WinCC實現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)，也可以與S7-200 PLC和ET200聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

2.1 系統(tǒng)硬件介紹

系統(tǒng)編程采用了西門子S7-300 PLC軟件組態(tài)，與其匹配的硬件系統(tǒng)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(guān)、狀態(tài)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(jié)構(gòu)如圖2所示；

（3）信號模塊SM：1）數(shù)字輸入模塊DI；2）數(shù)字輸出模塊DO；

（4）功能模塊FM；

（5）通訊模塊CP。

2.2 系統(tǒng)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(tài)、程序編程、仿真調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、啟動和維護(hù)、運行和診斷等功能，是目前PLC編程軟件中最優(yōu)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(zhuǎn)換。

2.3 S7-300 PLC系統(tǒng)介紹

S7-300 PLC是一種模塊式結(jié)構(gòu)，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(shù)字量輸入信號模塊DI、數(shù)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(tǒng)組成如圖3所示。

3 WinCC在PLC教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的組態(tài)仿真構(gòu)想

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

3.2 系統(tǒng)的構(gòu)成與實現(xiàn)

利用西門子WinCC組態(tài)軟件來仿真設(shè)計PLC控制系統(tǒng)，在計算機(jī)中編寫好人機(jī)界面、利用圖形界面中的按鈕、開關(guān)來代替實際的按鈕、開關(guān)，并模仿其動作，用圖形來模擬實際的被控對象，通過計算機(jī)顯示器來在線觀察設(shè)備的運行情況，實現(xiàn)對被控對象的數(shù)據(jù)歸檔、報警記錄、存儲打印等控制過程及結(jié)果。圖4是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

上位機(jī)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(tài)軟件WinCC，下位機(jī)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(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊，并實時監(jiān)控PLC的存儲器、控制器及輸人輸出接口狀態(tài)，以變量值的形式傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上并顯示出來，此系統(tǒng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)直觀，便于工作人員分析處理。

在項目教學(xué)中，學(xué)生通過上位機(jī)實時監(jiān)控被控對象。被控對象不僅能夠接受現(xiàn)場控制指令信號還能根據(jù)PLC內(nèi)部程序運算結(jié)果，將其以文字圖標(biāo)、棒圖、動畫、曲線等形式在上位機(jī)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生對該專業(yè)技術(shù)的感性認(rèn)識，加深其對該控制過程的理解，最終實現(xiàn)其工程應(yīng)用能力的提高。

4 泵車控制系統(tǒng)仿真實例

4.1 控制要求

泵車的控制要求是：泵車設(shè)有電源信號指示燈，按下啟動按鈕，系統(tǒng)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(jié)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(jié)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(fā)生側(cè)翻安全事故。

4.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 PLC硬件設(shè)計

系統(tǒng)中用到的硬件型號及數(shù)量見表1。

4.2.2 PLC軟件設(shè)計

按照泵車控制要求設(shè)計的PLC軟件設(shè)計流程如圖5所示。

4.3 組態(tài)仿真畫面

將PLC置于運行狀態(tài)，進(jìn)入WinCC運行環(huán)境。

初始狀態(tài)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(tǒng)就會按照程序設(shè)計順序啟動，相應(yīng)設(shè)備指示燈依次變?yōu)榧t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(tǒng)組態(tài)仿真畫面如圖6所示。

5 結(jié) 論

為了提高PLC工程應(yīng)用能力，在“電氣與PLC控制技術(shù)”課程教學(xué)中引進(jìn)在工程方面應(yīng)用非常廣泛的WinCC組態(tài)仿真技術(shù)，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(fā)簡單，研制周期短，可塑性強，成本低，不需要維護(hù)，還可根據(jù)其運動規(guī)律制作動畫、棒圖，直觀形象。通過畫面監(jiān)控，還可以查找故障點，縮短維修時間。通過仿真組態(tài)技術(shù)教學(xué)，可以使實驗內(nèi)容趣味化、多樣化、功能化，并能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手能力，增加其工程實踐經(jīng)驗，從而提高應(yīng)用型本科高校的教學(xué)質(zhì)量。

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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(xué)。