WinCC flexible 在PLC教学中的应用

孙 静

(黎明职业大学 机电工程学，福建 泉州 362000)

可编程控制器(PLC)是一种以计算机为核心的通用新型工业自动化装置，具有结构简单，性能优越，可靠性高等优点，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一.因此，它成为机电类相关专业的一门专业技术课程.学习本课程，并能将其应用于生产实践，对学生将来就业具有重要意义.该课程具有综合性、多变性、实践性和实用性等特点，这就要求教师在教学中要采用“教——学——做”一体化的方式教学[1]，注重对学生综合能力和实践能力的培养，从而进一步提高课程的教学质量和教学效果.

1 PLC传统教学模式中存在的问题

PLC作为机电类学生的专业必修课，在教学过程中，既有理论知识学习.又有实践内容讲解，既有编程方法介绍，又有实用案例分析，因此，教师在教学过程中应努力做到因材施教，充分调动广大学生的学习积极性，提高教学质量.而调查发现，因为师资、实训条件、实验设备不足等原因，很多教授PLC课程的教师在授课过程中常采用填鸭式的教学模式，学生学习积极性不高，课程教学效果不明显.学生毕业后动手能力较差，与市场的需求不相适应.所以，本着要淡化理论教学，强化实践教学的原则，我校将教室与实训室合二为一，形成仿真的工作场所，使教学过程变为生产过程，学习任务变为工作任务，使学生在实验学习过程中体验工作过程.

传统的PLC实验教学是通过使用学校购买的PLC试验箱来进行模拟实验.学生根据系统控制要求编写梯形图并输入到PLC中,然后进行硬件接线, 在实验箱的相关模拟区域上观察最后输出的运行结果.由于实验采用模块化设计，所有的被控对象均用发光二极管显示[2].学生只能通过PLC输入、输出端口指示灯的亮灭来了解对应端口的通断状态，如图1所示.这种方法无法形象地显示PLC输入和输出点的状况，使得学生在程序运行调试过程中常常搞不清楚PLC实际的运行状态.对于电梯、洗衣机这些比较复杂的控制系统而言，因为缺少相应的硬件设备，只通过对应指示灯的情况来模拟系统运行，演示效果并不直观，学生很难理解整个控制过程，因而缺乏学习积极性，无法达到理想的教学效果.

图1 PLC运行效果图

为了解决以上问题，我们在PLC教学中引入了WinCC flexible仿真软件.通过使用WinCC flexible仿真软件，学生可以组态控制系统的画面，用动画的形式模拟实际控制对象的工作过程，演示效果形象生动，加深了学生对工业控制过程的感性认识，大大激发了学生的学习热情，有效提高了学生的动手能力，丰富了实验教学的教学内容.且软件成本低廉，无需维护，解决了实验室设备使用不足的问题.

2 WinCC flexible软件简介

WinCC flexible是德国西门子公司生产的一款面向机器和过程的自动化概念的HMI 软件，适用于各种人机界面应用的组态，能将机器和设备整合在一起，便于工厂和机械工程中机器操作员进行控制和自动化过程监测，使工厂更加透明和高效.它以机器和过程为向导，可嵌入面板于PC中，支持多种语言，全球通用.同时，它具有通用的应用程序，可集成到各种自动化解决方案中，适用于所有工业和技术领域.

3 WinCC flexible在PLC实践教学中的应用实例

利用WinCC flexible 组态软件仿真可编程控制器的控制对象，即先通过PLC编程软件编写相应的控制系统程序，然后采用WinCC flexible，根据实际控制系统控制要求组态控制系统的运行画面.画面组态完毕后，利用变量编辑器创建PLC外部连接变量，将组态画面中各对象地址和PLC地址一一对应，并将PLC程序和设计的组态画面进行通讯连接，这样就可以在计算机屏幕上模拟运行控制系统的运行过程并观测结果.在教学过程中，学生可将计算机仿真程序看作是被控对象，通过上位机组态软件实现对PLC的实时控制.同时，控制结果又可以在计算机屏幕上以仿真动画形式直观明了地显示出来，从而极大地提高了学生的学习兴趣，加深学生对该控制过程的理解[3].采用WinCC flexible组态软件可以开发多种实验项目，下面就以十字路口交通灯为例介绍WinCC flexible在PLC实践教学中的应用.

3.1 十字路口交通灯仿真系统控制要求

接通电源开关，当按下启动按钮SB1后，系统启动.首先南北直行方向红灯点亮并维持40秒后熄灭，熄灭后南北直行方向绿灯点亮.南北直行绿灯亮35秒后闪烁3秒熄灭，同时，此方向黄灯点亮2秒后熄灭.系统启动同时，东西直行绿灯和东西左转绿灯也点亮.东西左转绿灯维持30秒.30秒时间到，东西左转绿灯闪烁，闪烁3秒后熄灭，同时，东西左转黄灯亮，并维持2秒后，东西左转红灯亮，维持45秒后熄灭，东西左转绿灯再次点亮，周而复始.东西直行绿灯点亮方式与南北直行绿灯方式相同.系统运行一个周期时间为80秒.东西南北右转灯在系统运行过程中始终为绿灯点亮，即右转方向始终可以通行.东西方向和南北方向运行状态相同.系统运行过程中，南北绿灯和东西绿灯不能同时亮.当按下停止按钮，则所有灯熄灭.

3.2 PLC I/O分配表及外接线图

根据上述控制要求，本系统共需要2点输入，13点输出.因此，我们选用的PC主机为24点输入，16点输出的SIMATIC S7-200 CPU226.其I/O分配表如表1所示，PLC外接线图如图2所示.

表1 I/O分配表

图2 PLC外接线图

3.3 PLC程序设计

这里采用顺序功能图的程序设计方法，首先绘制出整个交通灯系统的顺序功能图，然后根据顺序功能图，采用西门子STEP7编程软件编写系统PLC程序[4]，并将编写好的程序下载到可编程控制器中运行调试.因为仿真平台的输入变量SB1、SB2要用组态软件的图形按钮来表示，因此，这两个输入变量用中间变量来表示.这里用M2.0、M2.1分别代表启动和停止按钮.

3.4 组态仿真画面的设计

根据交通灯的控制要求，利用WinCC flexible组态软件对系统进行组态画面编辑，并使用TP 177B color PN/DP触摸屏实现交通灯的模拟操作.图3即为交通灯控制系统组态仿真画面.画面中设置了启动和停止两个控制按钮，并设置了东南西北四个方向的交通指示灯.以朝北方向为例，在道路中间设置了两组红黄绿灯，这两组灯分别表示直行方向和左转方向的指示灯.转角处有一个绿灯，表示右转方向始终为绿灯通行状态.进行画面动画连接和设置时，应该将每个图形对象与PLC中的输入、输出变量一一对应，当PLC程序中的变量状态发生改变时，画面的动画效果也随之改变.

图3 交通灯组态画面

3.5 控制系统运行调试

组态画面设置完毕后，将PLC和触摸屏进行通讯连接，PLC采用通讯端口0，PLC和触摸屏的波特率均设置为9600.通讯成功后，就可以使用触摸屏对交通灯进行模拟运行操作.当按下画面中的启动按钮时，南北直行方向的红灯、东西直行方向的绿灯、南北方向左转红灯、东西方向左转绿灯及四个转角处代表右转的绿灯均为点亮状态.运行30秒后，东西左转绿灯闪烁，闪烁3秒后熄灭，并点亮东西左转黄灯，黄灯亮2秒后东西左转红灯亮.其他方向灯也按要求运行.按下停止按钮后，所有灯均熄灭.

4 结论

在PLC教学实践中，借助WinCC flexible组态软件设计控制系统仿真画面，建立PLC实践教学仿真模型，模拟系统运行的动画效果，就可以将自动化控制现场带入课堂[5]，既解决了PLC传统教学中使用输入、输出指示灯的亮灭代替各种运行状态的抽象性，又有效地激发了学生学习本课程的热情和积极性，提高了学生实践操作能力，使教学内容更加生动丰富，达到了“教——学——做”一体化的教学目的.

参考文献：

[1]曾喜娟.基于WinCC flexible组态软件的仿真模型在教学实践中的设计与实现[J].甘肃联合大学学报(自然科学版),2012,26(6):73-75.

[2]张学军,刘海波,回文静.组态技术在PLC实验中的应用[J].河北工程技术高等专科学校学报,2010(4):36-38.

[3]史博.组态仿真软件在高职PLC课程教学中的应用[J].辽宁高职学报,2010(6):33-34.

[4]陈永利,赵小霞.MCGS组态软件在PLC教学中的应用[J].济源职业技术学院学报,2011(4):24-26.

[5]王惠莉.基于MCGS的仿真教学系统在PLC教学中的应用[J].实验技术与管理,2010(11):274-275.