周美蘭，張宇，吳曉剛，于德亮，王兆天

基于西門子PLC虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計

周美蘭，張宇，吳曉剛，于德亮，王兆天

（哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

針對傳統(tǒng)的PLC控制實驗中實驗設(shè)備質(zhì)量大、價格高、占地面積大和維護(hù)困難等缺點，提出了一種PLC與組態(tài)軟件相結(jié)合的設(shè)計方法．在組態(tài)軟件中創(chuàng)建虛擬模型作為被控對象，代替實際被控設(shè)備，采用虛擬的被控對象即可檢驗PLC控制程序的正確與否．采用西門子S7-200 PLC與力控V7.0組態(tài)軟件相結(jié)合的方法搭建虛擬仿真實驗系統(tǒng)，為PLC的實驗教學(xué)提供了有利補(bǔ)充．以5層電梯為例，給出了PLC控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)過程，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了整體測試，證明了所研制實驗系統(tǒng)的有效性和可靠性．

S7-200 PLC；組態(tài)軟件；虛擬仿真實驗系統(tǒng)；5層電梯

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，集自動化、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)為一體的工業(yè)自動化控制器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中．PLC自問世以來，得到了廣泛的應(yīng)用和研究，由于其在自動控制系統(tǒng)中的突出作用，使得它成為電氣工程專業(yè)學(xué)生必修的一門課程[1]．但是由于所需的被控對象體積較大、費(fèi)用昂貴、維護(hù)困難，造成一些PLC實驗課難以開設(shè)，不能達(dá)到良好的實驗效果，對PLC教學(xué)產(chǎn)生不利的影響[2-3]．鑒于此弊端，本文采用PLC與組態(tài)軟件相結(jié)合的研究方法，進(jìn)行虛擬仿真實驗系統(tǒng)的搭建．組態(tài)軟件專門用于數(shù)據(jù)采集、顯示與過程控制，是自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層的軟件開發(fā)平臺，具有多種硬件設(shè)備的驅(qū)動程序，能實現(xiàn)復(fù)雜的被控對象動作畫面．組態(tài)軟件可以與PLC進(jìn)行通信，接受PLC發(fā)出的控制信號，同時也將命令信號發(fā)送給PLC[4-5]．在組態(tài)軟件中建立虛擬仿真模型代替真實設(shè)備，控制方便，在實驗室即可虛擬仿真多種工業(yè)現(xiàn)場的控制實驗，驗證PLC程序的正確性，縮短研發(fā)周期．

將組態(tài)軟件應(yīng)用于PLC控制的實訓(xùn)教學(xué)中，可以節(jié)省實驗成本，豐富實驗內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6]．

1　仿真實驗系統(tǒng)的組成與開發(fā)路徑

虛擬仿真實驗系統(tǒng)分為上位機(jī)與下位機(jī)2部分，安裝有組態(tài)軟件的計算機(jī)作為上位機(jī)，也稱為監(jiān)控管理層，下位機(jī)選用西門子S7-200可編程邏輯器．PLC與組態(tài)軟件之間通過RS232/485通信轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，組態(tài)軟件接受PLC向其發(fā)出的控制信號，包括開關(guān)信號、脈沖信號和數(shù)值信號等．PLC也會接收來自組態(tài)軟件發(fā)出的信號[7]．

組態(tài)軟件選用Force Control V7.0力控組態(tài)軟件，該軟件主要包括工程管理器、開發(fā)系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫DB、I/O驅(qū)動程序和各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件等，軟件具有良好的人機(jī)界面，圖庫豐富，操作簡單[8]167-170．PLC編程軟件選用STEP7-Micro/WIN軟件，該軟件是由西門子公司專門為S7-200系列PLC研發(fā)的軟件，編程語言簡單，操作方便[9]．仿真實驗系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見圖1，PLC組態(tài)虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)路徑流程見圖2．

圖1 仿真實驗系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

圖2 PLC組態(tài)虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)路徑流程

2 5層電梯虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計

以5層電梯實驗為例，對虛擬仿真實驗系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和建立過程進(jìn)行說明，最后對整體系統(tǒng)進(jìn)行實驗調(diào)試．先在組態(tài)軟件中建立被控對象虛擬電梯模型，在PLC編程軟件中編寫控制程序，之后將編寫好的程序下載到PLC中，利用RS232/485實現(xiàn)組態(tài)軟件和PLC的通信，組態(tài)軟件可以監(jiān)控PLC的存儲狀態(tài)和I/O接口的狀態(tài)，通過組態(tài)軟件中動態(tài)畫面的效果來驗證PLC控制程序的正確性[10]．

2.1 基本功能及設(shè)計要求

2.1.1 仿真電梯基本功能 5層電梯內(nèi)部有開門、關(guān)門按鈕，樓層顯示器，5個樓層內(nèi)呼叫按鈕和內(nèi)呼叫指示燈；電梯外部每層都有外部呼叫按鈕（1層只有上呼叫按鈕，5層只有下呼叫按鈕）、呼叫指示燈和顯示器．呼叫按鈕用于對乘客呼梯信號進(jìn)行登記，按下呼叫按鈕，對應(yīng)指示燈亮起，呼叫信號被登記，在電梯運(yùn)行到目標(biāo)層之后，呼叫指示燈熄滅，登記信號消除．樓層顯示器用于顯示電梯所處樓層位置和上升、下降狀態(tài)，使乘客清楚地知道電梯目前所處的位置和運(yùn)行方向[11]．

2.1.2 仿真電梯設(shè)計要求 為了便于分析，假設(shè)初始狀態(tài)電梯處于1層待命，各層呼叫燈均不亮，具體設(shè)計要求：

（1）按下內(nèi)、外呼叫按鈕，對應(yīng)指示燈亮起，直到響應(yīng)該呼叫后，指示燈熄滅，且電梯在運(yùn)行過程中支持其它呼叫．

（2）當(dāng)有外呼叫信號時，如果電梯處于該層，則相當(dāng)于開門信號，電梯自動開門；如果電梯不在外呼叫信號層，則電梯運(yùn)動到該層，停層穩(wěn)定后自動開門；對于內(nèi)呼叫信號，電梯運(yùn)動到目標(biāo)層，停層后自動開門．

（3）電梯在自動開關(guān)門過程中，支持手動開關(guān)門，電梯運(yùn)行期間開門信號失去作用，不能開門．

（4）電梯運(yùn)行到某一樓層，該樓層行程開關(guān)觸發(fā)，對應(yīng)的樓層指示燈亮起，直到運(yùn)行到上一層或下一層，指示燈改變顯示．

（5）電梯按照不換向的原則優(yōu)先響應(yīng)不改變電梯運(yùn)行方向的呼叫，如果電梯處于上升狀態(tài)，響應(yīng)電梯當(dāng)前層與目標(biāo)層之間所有樓層的內(nèi)呼叫和外部上呼叫信號．例如：電梯內(nèi)部5樓呼叫按鈕按下，電梯由1層向5層運(yùn)行，此時，3層外部有人按下呼叫按鈕，4層外部有人按上呼叫按鈕，則電梯響應(yīng)4層外部上呼叫，直到響應(yīng)完內(nèi)部5層呼叫后，反向運(yùn)行響應(yīng)3層外部下呼叫信號．

2.2 5層電梯組態(tài)虛擬仿真界面的制作

在力控組態(tài)軟件中建立5層電梯虛擬模型，作為PLC的控制對象．根據(jù)來自PLC的控制信號，上位機(jī)顯示器中的電梯模型畫面做出相應(yīng)動作，驗證PLC程序的準(zhǔn)確性．創(chuàng)建工程的一般過程：制作畫面、選定設(shè)備、定義變量和進(jìn)行動畫連接[8]202-205．在模型畫面的制作過程中，除了利用組態(tài)軟件中圖庫的圖片，還可以查找相關(guān)資料，選擇合適的圖片，對圖片進(jìn)行修理，通過插入位圖的方式，將圖片導(dǎo)入到開發(fā)界面中，使模型更加形象逼真，符合工程實際．此外，力控組態(tài)軟件中也需要進(jìn)行腳本程序的編寫，腳本程序用來控制仿真界面中圖片的動作效果[5]129，例如：電梯門移動的距離，電梯轎廂上升的高度，指示燈的亮滅和樓層背景圖片的顯示和隱藏等，部分腳本程序見圖3．

圖3 組態(tài)軟件中部分腳本程序

2.3 PLC控制程序設(shè)計

PLC控制程序是整個虛擬仿真系統(tǒng)的核心部分，5層電梯PLC控制程序由6個部分組成，分別是：上下行判斷、開關(guān)門、樓層位置信號檢測、內(nèi)呼叫、外呼叫、停層．本文采用梯形圖進(jìn)行編程，主程序見圖4．其中內(nèi)呼叫和外呼叫子程序用于登記乘客的呼梯信號；樓層位置信號檢測子程序用于確定電梯當(dāng)前所處的樓層位置；上下行判斷子程序用于確定電梯的運(yùn)行方向．定向后電梯開始運(yùn)行，到達(dá)目標(biāo)層后電梯停層，自動開門，延時一段時間自動關(guān)門．

由于文章篇幅所限，只列出了1～5層行程開關(guān)變量I/O分配表（見表1）．對應(yīng)的樓層位置信號檢測子程序見圖5．

表1 5層電梯行程開關(guān)變量I/O分配

圖4 5層電梯PLC主程序

圖5 樓層位置信號檢測子程序

2.4 虛擬仿真實驗系統(tǒng)綜合測試

將所編制的梯形圖程序下載到PLC中，打開組態(tài)軟件工程界面點擊運(yùn)行，組態(tài)軟件虛擬仿真運(yùn)行界面見圖6．經(jīng)過對5層電梯虛擬仿真實驗系統(tǒng)反復(fù)綜合測試，電梯能夠根據(jù)乘客輸入的指令和PLC的控制程序，執(zhí)行上升、下降和開關(guān)門等相關(guān)動作，動作準(zhǔn)確無誤，電梯仿真模型形象逼真，能夠很好驗證PLC程序的準(zhǔn)確性，達(dá)到了PLC控制實驗的預(yù)期效果．

圖6 5層電梯PLC控制虛擬仿真運(yùn)行界面

3 結(jié)語

將組態(tài)軟件應(yīng)用于PLC的實驗教學(xué)中，可以減少設(shè)備的購置，降低實驗教學(xué)成本．由于組態(tài)軟件中擁有豐富的圖片資源，包含大部分工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備圖片，可以在虛擬的環(huán)境下，建立虛擬仿真模型代替真實被控設(shè)備，進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)，大大縮短了開發(fā)周期，為控制系統(tǒng)應(yīng)用于工程實際提供參考和科學(xué)依據(jù)．除了本文中的5層電梯實驗之外，PLC與組態(tài)軟件相結(jié)合的方法還可應(yīng)用于交通指揮燈、自動售貨機(jī)、機(jī)械手臂等多個虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，這為PLC的實驗教學(xué)提供了一種新途徑，并為線上或線上線下相結(jié)合的實踐教學(xué)模式打下了堅實基礎(chǔ)．

[1] 李躍鵬，胡上國，雷霖．自動化專業(yè)PLC控制技術(shù)課程設(shè)計實例[J]．實驗技術(shù)與管理，2021，38（2）：190-195．

[2] 孫君，朱健，戴禮興．基于虛擬仿真實驗教學(xué)項目的工程實踐[J]．教育教學(xué)論壇，2020（14）：219-220．

[3] 李繼芳，許英杰，鮑平，等．虛擬仿真被控對象在PLC實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]．實驗技術(shù)與管理，2017，34（6）：114-118．

[4] 王超．運(yùn)用組態(tài)軟件改革 PLC 實驗教學(xué)[J]．高師理科學(xué)刊，2015，35（10）：84-88．

[5] 劉力．組態(tài)軟件在PLC實驗系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．實驗室研究與探索，2014，33（4）：128-129．

[6] 趙洋，胡亞偉．基于工業(yè)軟件的“PLC原理及應(yīng)用”線上實驗教學(xué)實踐[J]．實驗技術(shù)與管理，2021，38（1）：175-178， 183．

[7] 柏正祥．西門子S7-300 PLC與WinCC6.0組態(tài)技術(shù)在輸煤自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電氣應(yīng)用，2013，32（7）：64-66．

[8] 周美蘭，周封，徐永明．PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計[M]．3版．北京：科學(xué)出版社，2016．

[9] 王桂芳，程上方，劉齊壽，等．基于 S7-200 PLC 的過程控制實驗平臺開發(fā)[J]．實驗技術(shù)與管理，2019，36（1）：78-82， 86．

[10] 湯偉，竇晨超，馮曉會．基于西門子 S7-300 PLC 的過程控制實驗平臺設(shè)計[J]．實驗室研究與探索，2018，37（4）： 49-52，58．

[11] 王宏，王子成，崔光照．基于組態(tài)軟件的 PLC 電梯控制和仿真研究[J]．制造業(yè)自動化，2013，31（1）：109-112．

Design of virtual simulation experiment system based on Siemens PLC

ZHOU Meilan，ZHANG Yu，WU Xiaogang，YU Deliang，WANG Zhaotian

（School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

In view of the shortcomings of traditional PLC control experiment，such as high quality，high price，large floor area and difficult maintenance，puts forward a design method of the combination of PLC and configuration software．The virtual model is created in the configuration software as the controlled object to replace the actual controlled equipment．The correctness of PLC control program can be verified by using virtual controlled object．It is adopts of Siemens S7-200 PLC and Force Control V7.0 configuration software to build a virtual simulation experiment system，which provides a favorable supplement for PLC experiment teaching．Taking the 5-storey elevator as an example，the development process of PLC control virtual simulation experimental system is given，and the overall test of the system is carried out to prove the effectiveness and reliability of the developed experimental system．

S7-200 PLC；configuration software；virtual simulation experiment system；5-storey elevator

1007-9831（2022）05-0090-05

TP273∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.05.017

2021-12-29

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目（SJGY20200298，SJGY20190271）

周美蘭（1962-），女，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，從事新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)控制技術(shù)研究．E-mail：zhoumeilan001@163.com