基于PLCSIM和真實(shí)PLC的分布式教學(xué)平臺設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘

要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于PLCSIM和真實(shí)PLC的分布式教學(xué)平臺，使用PLCSIM代替價(jià)格昂貴的操作站PLC，可以大幅降低學(xué)校在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備采買上的投入，為每位學(xué)生學(xué)習(xí)分布式控制創(chuàng)造條件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)靈活性和學(xué)習(xí)效果，幫助學(xué)生達(dá)到學(xué)習(xí)分布式控制、工業(yè)通信總線、PLC編程和界面組態(tài)（HMI）等核心內(nèi)容的目的。關(guān)鍵詞：PLCSIM；真實(shí)PLC；分布式；教學(xué)平臺0引言隨著我國從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型升級，我國制造業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備正在從獨(dú)立式、孤島式向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型。信息化技術(shù)應(yīng)用不斷加強(qiáng)，打通各生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息高速公路，數(shù)據(jù)集中顯示和控制已成為大趨勢。目前，各高校大部分采用的是實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)訓(xùn)模式，設(shè)備采購、維護(hù)、更換升級都需要大量的資金投入。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于PLCSIM和真實(shí)PLC的分布式教學(xué)平臺，使用PLCSIM代替價(jià)格昂貴的操作站PLC，管控底層現(xiàn)場控制單元，達(dá)到學(xué)習(xí)分布式控制、工業(yè)通信總線、PLC編程和界面組態(tài)（HMI）等核心內(nèi)容的目的。此系統(tǒng)可以大幅降低學(xué)校在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備采買上的資金投入，為每位學(xué)生學(xué)習(xí)分布式控制創(chuàng)造條件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)靈活性和學(xué)習(xí)效果。1分布式教學(xué)平臺的總體設(shè)計(jì)本教學(xué)平臺采用PLCSIM（虛擬PLC，軟PLC）代替價(jià)格昂貴的300型、400型PLC，保留底層價(jià)格便宜的SMART200系列PLC，可低成本實(shí)現(xiàn)學(xué)生大規(guī)模的DCS系統(tǒng)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)。設(shè)計(jì)的分布式教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本平臺主要由PLCSIM和MCGS組成的操作站以及200SMARTPLC和應(yīng)用場景組成的現(xiàn)場控制單元組成。其中，SIMATICManager用于完成300型、400型PLC的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、邏輯程序編寫和調(diào)試任務(wù)；PLCSIM用于模擬真實(shí)的PLC運(yùn)行編寫的程序，為SIMATICManager編寫的程序和200SMARTPLC提供通信功能；MCGS組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境主要完成工作站的用戶界面組態(tài)和用戶監(jiān)控程序運(yùn)行任務(wù)。2教學(xué)平臺搭建2.1

SIMATICManager軟件SIMATICManager是西門子開發(fā)的300型、400型PLC進(jìn)行編程和調(diào)試的軟件。SIMATICManager可以完成PLC程序的在線調(diào)試運(yùn)行，降低學(xué)生編寫和調(diào)試程序的難度。2.2

STEP7-Micro/WINSMART軟件STEP7-Micro/WINSMART是西門子開發(fā)的SMART200系列PLC的組態(tài)、編程和調(diào)試軟件。SMART200系列PLC是首選的低成本的電機(jī)控制（伺服、變頻）PLC，具有極高的性價(jià)比。2.3

PLCSIM軟件PLCSIM軟件用來模擬真實(shí)的PLC完成數(shù)字量和模擬量輸入/輸出、邏輯程序運(yùn)行、通信等功能。PLCSIM具有通信功能，可以完成PLC間的數(shù)據(jù)交互。2.4

MCGS開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境本設(shè)計(jì)選用通用版MCGS作為人機(jī)界面（HMI）組態(tài)開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境軟件。MCGS開發(fā)軟件分為3個(gè)版本：嵌入式版、通用版和網(wǎng)絡(luò)版。嵌入式版MCGS需要配合實(shí)際的觸摸屏使用，網(wǎng)絡(luò)版MCGS控件相對較少，且學(xué)生學(xué)習(xí)以本機(jī)學(xué)習(xí)為主。MCGS開發(fā)運(yùn)行環(huán)境主要用來對操作站PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)控制過程數(shù)據(jù)的可視和界面控制功能。通用版MCGS又分為組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境，組態(tài)環(huán)境用于人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)、控制邏輯編制、設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)連接等，MCGS運(yùn)行環(huán)境為開發(fā)環(huán)境完成的程序提供運(yùn)行環(huán)境。2.5

數(shù)據(jù)的橋接由于PLCSIM無法和真實(shí)的PLC進(jìn)行通信，因此需要使用橋接軟件完成PLCSIM和外界PLCSIM、MCGS運(yùn)行環(huán)境之間的通信。本系統(tǒng)選用NetToPLCsim作為PLCSIM、SMART200PLC和MCGS運(yùn)行環(huán)境的橋接工具。3調(diào)試與運(yùn)行為了驗(yàn)證該分布式教學(xué)平臺的可行性，本設(shè)計(jì)以三級傳送帶啟停為例，調(diào)試分布式教學(xué)平臺。本實(shí)例用MCGS開發(fā)的HMI界面顯示三級傳送帶運(yùn)行狀態(tài)并控制操作站PLC（PLCSIM），操作站PLC（PLCSIM）只給200SMARTPLC發(fā)送啟動和停止控制信號，三級傳送帶控制程序在現(xiàn)場控制單元PLC中編寫。三級傳送帶為了避免貨物堆積造成貨物或者傳送帶設(shè)備損壞，對啟動順序有一定的要求。本例的要求為啟動時(shí)，第一級傳送帶啟動2s后，第二級傳送帶啟動，3s后，第三級傳送帶啟動。停止時(shí)，三級傳送帶同時(shí)停止。本實(shí)例使用兩臺PC和一臺200SMARTPLC來實(shí)現(xiàn)操作站工作站和現(xiàn)場控制單元的功能。操作站工作站（PC1）實(shí)現(xiàn)操作站PLC的仿真、信號的橋接和MCGS開發(fā)運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行?，F(xiàn)場控制單元（PC2和200SMARTPLC）實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的程序編寫和運(yùn)行，三級傳送帶啟停的控制信號由200SMARTPLC的數(shù)字量輸入/輸出端口信號模擬。3.1

PLC程序的設(shè)計(jì)3.1.1

三級傳送帶啟停的工作原理三級傳送帶的啟停控制由200SMARTPLC實(shí)現(xiàn)，需要在STEP7-Micro/WINSMART中編寫控制邏輯。對本實(shí)例中三級傳送帶啟停狀態(tài)進(jìn)行分析，三級傳送帶啟停程序狀態(tài)如表1所示。3.1.2

信號分配由于控制邏輯在200SMARTPLC中編寫，啟停的信號可由200SMARTPLC本地的數(shù)字量輸入端口或者內(nèi)部變量控制，亦可由MCGS編寫的HMI程序中的變量控制。通過對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)本平臺的信號分配表如表2所示。3.1.3

200SMARTPLC和仿真PLC交互數(shù)據(jù)由于三級傳送帶的控制邏輯在200SMARTPLC中編寫，啟動和停止信號由MCGS編寫的HMI程序讀寫到虛擬的PLCSIM中，200SMARTPLC和仿真PLC交互數(shù)據(jù)通過200SMARTPLC讀寫PLCSIM中數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。3.1.4

編制PLC程序根據(jù)三級傳送帶啟停的工作原理設(shè)計(jì)的傳送帶啟停程序如圖2所示。3.2

MCGS程序設(shè)計(jì)MCGS程序設(shè)計(jì)分為三大部分：設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)連接、界面（HMI）組態(tài)。3.2.1

設(shè)備組態(tài)在設(shè)備組態(tài)窗口中，添加“西門子CP443-1以太網(wǎng)模塊”。設(shè)備組態(tài)需要完成本地IP地址（運(yùn)行MCGS程序的計(jì)算機(jī)IP地址）的設(shè)置、遠(yuǎn)程IP地址（需要連接的PLC地址）的設(shè)置。3.2.2

數(shù)據(jù)連接MCGS內(nèi)部的數(shù)據(jù)對象需要和PLC內(nèi)部變量連接，賦予MCGS內(nèi)部數(shù)據(jù)物理意義。PLC內(nèi)部變量和MCGS內(nèi)部數(shù)據(jù)連接關(guān)系如表3所示。3.2.3

界面（HMI）組態(tài)按照需求，放置元器件后，連接控件和MCGS內(nèi)部數(shù)據(jù)對象綁定。傳送帶啟停界面元件和數(shù)據(jù)綁定關(guān)系如表4所示。3.3

運(yùn)行結(jié)果200SMARTPLC程序編寫后，下載到PLC中。PLCSIM仿真的PLC不需要編寫PLC程序，只需要硬件組態(tài)。組態(tài)后，程序下載到PLCSIM中，啟動NetToPLCsim和MCGS編寫的HMI程序。運(yùn)行的分布式教學(xué)平臺效果如圖3所示。4結(jié)語本文以三級傳送帶啟停程序的調(diào)試和運(yùn)行為例，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的基于PLCSIM和真實(shí)PLC的分布