孫 蓉，呂淑平，蘇 麗，于 鑫，李 冰

（哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

創(chuàng)建“沒有圍墻的大學(xué)”和基于網(wǎng)絡(luò)的遠程實驗室，是少投入、多產(chǎn)出、資源共享的一種全新的辦學(xué)理念，是高校未來發(fā)展的趨勢。遠程實驗室是信息時代的產(chǎn)物，它可以作為傳統(tǒng)實驗室的完善和補充，兩者互有優(yōu)勢，互為補充，相輔相成。本文利用實驗室的現(xiàn)有條件，開發(fā)了基于西門子PLC電梯設(shè)備的遠程實驗平臺軟件，有效地減輕了實驗教學(xué)的壓力，使學(xué)生可以在實驗室以外遠程下載和調(diào)試程序[1]。

1 實現(xiàn)方案

首先，利用多任務(wù)、多平臺、實時性好、開放性好的集成軟件包WinCC（Windows control center，視窗控制中心）完成界面設(shè)計。WinCC所包含的圖形化工具，允許用戶快速、直觀地建立面向過程的實時窗口，使用戶能夠快速、簡單地生成容易操作和理解的界面，并在運行和組態(tài)環(huán)境之間快速完成被修改界面的測試而不影響數(shù)據(jù)采集。然后，結(jié)合Windows系統(tǒng)的遠程登錄功能實現(xiàn)對PLC系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，使得學(xué)生可以不在實驗室下載、調(diào)試程序[2－3]。

1.1 建立通信

在工業(yè)通信環(huán)境中，WinCC以變量和過程值的形式進行信息交換。為了采集過程值，WinCC通信驅(qū)動程序發(fā)送任務(wù)消息給AS，然后AS把相應(yīng)的包含有所請求的過程值的回復(fù)消息發(fā)送給WinCC。本系統(tǒng)中，PLC之間、PLC與上位機之間的數(shù)據(jù)通信是通過MPI多點接口進行的，數(shù)據(jù)通信原理如圖1所示。

本系統(tǒng)中使用的PLC是Siemens的CPU315-2，在變量管理器中應(yīng)為其添加相應(yīng)的通信驅(qū)動程序（SIMATIC S7Protocol Suite.chn）。因為上位機是通過CP5611卡與PLC進行通信，使用的是MPI通信方式，故應(yīng)選擇MPI通道單元，并配置系統(tǒng)參數(shù)，其邏輯設(shè)備名稱設(shè)置為CP6511（MPI）[4]。配置好系統(tǒng)參數(shù)后，即可新建一個驅(qū)動程序連接，在驅(qū)動程序連接的屬性中設(shè)置相應(yīng)的PLC站地址。在本系統(tǒng)中，2個項目的連接設(shè)置除了站地址不同外，其余設(shè)置相同[1]。

圖1 數(shù)據(jù)通信原理

1.2 建立項目

（1）啟動 WinCC，單擊“開始”＞SIMSATIC ＞W(wǎng)inCC＞ Windows Control Center 6.0選單（菜單）項。

（2）建立一個新項目。打開WinCC資源管理器，在文件菜單下選擇“新建”，新建一個 WinCC項目，項目名稱為“遠程實驗室”。首次運行 WinCC時，選擇建立新項目的類型——單用戶項目。

1.3 組態(tài)變量

1.3.1 添加邏輯連接

若要使用WinCC來訪問自動化系統(tǒng)（PLC）的當(dāng)前過程值，則在WinCC與自動呼梯系統(tǒng)間必須組態(tài)一個通信連接[5]。

首先，添加一個通信驅(qū)動程序，選擇瀏覽窗口中的“變量管理”，在快捷菜單中選擇“添加新的驅(qū)動程序”，在“添加新的驅(qū)動程序”對話框中，選擇驅(qū)動程序SIMATIC S7Protocol Suite.chn，并單擊“打開”按鈕，所選擇的驅(qū)動程序?qū)@示在變量管理的子目錄下。

然后，單擊所顯示的驅(qū)動程序前面的“＋”，右擊MPI通道單元，在快捷菜單中選擇“新驅(qū)動程序的連接”菜單項。在隨后打開的“連接屬性”對話框中輸入邏輯連接名PLC，單擊“確定”按鈕，如圖2所示。

1.3.2 建立過程變量

單擊“變量管理”＞SIMATIC S7PROTOCOL SUITE＞ MPI前面的“＋”，展開各節(jié)點，右擊出現(xiàn)的節(jié)點“PLC”，在快捷菜單中選擇“新建變量”菜單項，如圖3所示。

圖2 建立新的連接

圖3 建立新變量

在“變量屬性”對話框中給變量命名，選擇數(shù)據(jù)類型并為過程變量分配一個PLC中的對應(yīng)地址，地址類型與通信對象相關(guān)。在地址域旁邊的“選擇”按鈕，打開“地址屬性”對話框，選擇數(shù)據(jù)列表框中過程變量所對應(yīng)的存儲區(qū)域，并選擇詳細地址信息。

1.4 建立過程界面

在此過程中，利用WinCC的圖形編輯器編輯監(jiān)控界面，并將其中的對象與相應(yīng)的標(biāo)簽建立動態(tài)連接。

利用系統(tǒng)提供的組件，建立所需的人機界面：初始界面和監(jiān)控界面。右擊WinCC資源管理器的圖形編輯器，從快捷菜單中選擇“新建界面”菜單項，創(chuàng)建一個名為“監(jiān)控界面.pdl”的界面，并顯示在WinCC資源管理器的右邊窗口中。雙擊界面名稱“監(jiān)控界面.pdl”，打開圖形編輯器編輯界面。在圖形編輯器右側(cè)的對象選項板中選擇圓形、矩形工具，在繪圖區(qū)繪制圖形[6]，如圖4所示。

監(jiān)控圖形按電梯硬件結(jié)構(gòu)由電梯主體（包括轎廂、門廳按鈕、顯示單元）和轎廂內(nèi)按鈕面板組成。

圖4 圖形編輯器

其中，電梯主體部分將5層電梯的各層門廳集中在一起顯示。如真實電梯一樣，每層門廳都有一扇電梯門、門廳外呼梯的上下行按鈕（內(nèi)置顯示燈）、用于樓層顯示的數(shù)碼管及顯示電梯上下行的箭頭指示燈。為方便起見，將轎廂內(nèi)按鈕面板單畫在旁邊，其上主要是一層—五層的內(nèi)呼按鈕、開關(guān)門按鈕及運行檢修指示燈[7]。

1.5 改變界面對象的屬性和事件

為了使界面內(nèi)的各對象能夠監(jiān)視及控制實際電梯的運動情況，要改變界面中的各個對象的屬性和事件。

對象屬性的動態(tài)化，可通過改變對象的顏色屬性，來顯示電梯各部分的狀態(tài)及電梯各指示燈的亮與滅。

如組態(tài)電梯一層外呼按鈕：右擊該按鈕，打開“對象屬性”窗口，在屬性選項卡中選擇顏色屬性。選擇右邊的數(shù)據(jù)窗口中屬性列的“背景顏色”，右擊動態(tài)列的白色燈泡，在彈出的窗口中選擇動態(tài)對話框，設(shè)置“表達式／公式”為“電梯一層上外呼顯示”，如圖5所示。數(shù)據(jù)類型選擇“布爾型”；設(shè)置有效范圍欄“是／真”一行的背景顏色為黃色；單擊事件名稱行后面的按鈕，打開改變觸發(fā)器窗口，將變量電梯一層上外呼顯示的標(biāo)準(zhǔn)周期改為“根據(jù)變化”，完成動態(tài)設(shè)置[8]。

對電梯一層外呼按鈕進行如下設(shè)置：右擊該按鈕，打開對象屬性窗口，選擇事件欄的鼠標(biāo)選項，右擊右側(cè)窗口中的“按左鍵”，從彈出窗口中選擇“直接連接”設(shè)置“源”為常數(shù)“1”，“目標(biāo)”為變量“電梯一層上外呼叫”，此時激活界面，用鼠標(biāo)左擊界面上的電梯一層按鈕，實際電梯一層按鈕燈會亮，說明該按鈕已經(jīng)按下，同時界面中的按鈕顯示黃色，至此該按鈕組態(tài)完成[9]。

1.6 激活WinCC界面

通過以上方法，逐一組態(tài)各個對象，最終完成整個監(jiān)控界面的設(shè)計。電梯運行時可激活監(jiān)控界面，對實際電梯模型進行基本控制，通過Windows的遠程桌面在客戶端登錄，便可以在實驗室的外面也可以實現(xiàn)對PLC設(shè)備的控制和調(diào)試。

圖5 選擇變量窗口

2 實驗平臺的應(yīng)用

本虛擬實驗教學(xué)平臺以 WinCC為主要載體，通過微軟的遠程桌面連接可實現(xiàn)遠程編程、下載、監(jiān)控和調(diào)試[10]。

首先，在實驗機上右擊我的電腦—屬性—遠程—遠程桌面，勾選“允許用戶遠程連接到此計算機”，確定后即可在實驗機上登錄了；其次，在客戶機上打開“開始—所有程序—附件—遠程桌面連接”[11]，如圖6所示。

圖6 打開遠程桌面連接

在打開的對話框中點擊“選項”，計算機上填入要登錄的主機的IP地址，并輸入設(shè)置的用戶名和密碼，在“高級”選項中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)類型來優(yōu)化設(shè)置，然后點擊“連接”即可。

接著，在WinCC界面中打開STEP7編輯程序，與正常的STEP編程、程序的使用方法相同。

用戶可通過WinCC界面監(jiān)控呼梯登記、轎廂運行和樓層顯示等電梯模型的工作情況，完成實驗的操作與調(diào)試[12－13]。

3 結(jié)束語

基于西門子PLC的遠程實驗教學(xué)平臺，通過WinCC實現(xiàn)對PLC系統(tǒng)的遠程程序下載和調(diào)試，界面友好、操作易學(xué)。本文只給出了對于遠程西門子PLC電梯實驗教學(xué)平臺的實現(xiàn)方法，實際上可以利用相同方法設(shè)計其他基于PLC的遠程實驗平臺。

（References）

[1]李冰，鄭秀麗，孫蓉，等.可編程控制器原理及應(yīng)用實例[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]彭利標(biāo)，徐耀生，王芯.可編程序控制器原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]柴瑞娟，陳海霞.西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[5]李軍.WinCC組態(tài)技巧與技術(shù)問答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[6]吳啟迪.面向職業(yè)教育的遠程實訓(xùn)平臺建構(gòu)與應(yīng)用[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2011.

[7]劉美俊.西門子PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

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[9]李萬軍.基于西門子PLC一體化實驗平臺的開發(fā)與設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2011（9）：84-85.

[10]郭西進，任良才，耿乙文.PLC綜合實訓(xùn)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2011，30（6）：162-165.

[11]Su Jian.The Emulation Debugging System of PLC Based on Serial Communication Technique[J].Process Automation Instrumentation，2006（12）：43-45.

[12]吳作明，杜明星.深入淺出西門子STEP7[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[13]李曉波，郭艷萍.基于組態(tài)技術(shù)的PLC教學(xué)實驗平臺開發(fā)[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009（2）：12-13.