基于组态软件的PLC虚实结合实验室的构建

王　超

(昌吉学院 物理系， 新疆 昌吉 831100)



基于组态软件的PLC虚实结合实验室的构建

王超

(昌吉学院 物理系， 新疆 昌吉 831100)

摘要：本文针对PLC实践课程教学模式特点，将组态软件与PLC相融合，构建了虚实结合的实验室，以全自动售货机为例，详细阐述了应用组态软件虚拟被控对象与PLC融合的实施过程。实践证明：该实验室具有实验成本低、使用方便，可为PLC实验课程的学习提供很好的平台。

关键词：组态软件; PLC; 虚实结合 ；实验室结构

“PLC”课程是实践性和应用性都很强的一门课程，是电气信息类等专业的必修课，实验教学是该课程的一个重要环节[1,2]。传统的PLC实验教学多采用实验箱或实验装置，实验对象多为发光二极管、按钮和电动机等，由于硬件资源的限制，开设的实验多是一些验证性实验。笔者在深入分析传统的PLC实验教学方式的基础上，研究了将组态软件与PLC实验教学相结合，借助组态软件的优势，虚拟被控对象的模型，构建了一个虚实结合的实验室，以此丰富实验教学内容，提高实验教学效果。

1组态软件

组态软件是用于数据采集与过程控制的专用软件，具体的说，它是一款能使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具[3，4]。实时数据库系统是组态软件的核心部分，其它子系统围绕实时数据库系统运行，它在底层现场设备和图形界面系统之间起到数据采集和数据处理作用[5]。组态软件数据处理流程如图1所示。

图1　组态软件数据处理流程

组态软件作为用户可以定制功能的软件平台工具，可以用软件模拟作用于PLC控制对象的实物，可以像操作被控对象的实物一样向PLC发出诸如传感器信号、中断信号、位置信号和开关控制信号等信息，也可以接受PLC发出的脉冲信号、输出信号和给定数值信号等控制信号，借助转换接口与PLC进行各种数据的传输，利用组态软件的这些功能，可以开发出不同应用的虚拟控制对象，用于PLC的实验教学等[6-7]。

2PLC虚实结合实验室结构

2.1虚实结合实验室硬件结构

构建的虚实结合实验室主要设备有：15台PLC实验箱(作为下位机)、20台PC(作为上位机)，1台48口100 Mbps交换机、1台教师机和一套多媒体投影设备等实验箱。PLC实验箱除具有RS232/485转换口外还具有以太网接口，PC机中均装有组态王软件，采用动画、声音等连接技术能设计界面友好、生动逼真的虚拟被控对象，在PLC编程软件中编写应用程序，在组态王中通过数据词典等建立虚拟被控对象与PLC程序相关的变量连接，通过设置对应PLC的IP地址，借助交换机可实现上位机与任何一台PLC建立通信，实现多用户分时使用PLC，可以弥补PLC实验箱数量不足，借助多媒体投影设备，能实现教师与学生的全方位互动教学，虚实结合实验室系统结构图如图2所示。

图2　虚实结合实验室系统结构

若实验室还有实际的被控设备，比如三容水箱控制对象、热交换对象等，则可以通过Profibus接口、RS232/485接口和RS485接口(MODBUS协议)等将它们与PLC连接起来，多用户共享被控对象，构成完整的实际监控系统。

2.2虚实结合实验室实验项目

虚实结合实验室开展的实验项目主要有四大模块组成。第一模块是验证性实验模块，主要目的是加深学生对所学知识的理解，掌握实验方法和技能。比如：定时器/计数器实验让学生理解定时器、计数器工作原理，便于以后编程的使用；第二模块是综合性实验，主要涉及本课程综合知识或与本课程相关知识的实验[8]，比如自动送料控制实验，要求学生运用功能块，综合运用所学的指令完成实验；第三模块是设计性实验，依据教师给出实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计方案并加以实验，充分发挥学生的主动性和创造性；最后一块是课程设计模块，它的任务是设计一套具有实际应用背景、具有一定难度的控制系统，要求学生进行基本设备的选型、电气原理图绘制、PLC软件编程和组态监控开发等完整的训练。后三模块需要用到组态软件虚拟被控对象，采用虚实结合技术才能完成实验项目，本实验室已经完成了多个实验模块的虚拟对象，比如：机械手控制虚拟被控对象、自动售货机虚拟被控对象和立体车库监控虚拟被控对象等，这些虚拟被控对象运行于连接到以太网交换机的PC机中，在开展实验项目时，学生通过网络可分时使用这些虚拟对象，用户数量由交换机端口数量决定。PLC实验项目如图3所示。

图3　PLC实验项目

3实验项目实例

作为虚实结合实验室开展的设计实验项目的一个实例，设计完成一个全自动售货机的控制，能够实现硬币投入选择及显示、2种及以上商品出售控制、找零和实时曲线、历史曲线及报表绘制等功能。

该系统由PC机、西门子S7-200PLC、组态王软件KingView 和交换机等组成，在STEP7 Micro WIN编程软件中编写全自动售货机应用程序，在组态王中虚拟全自动售货机对象，建立与PLC的动态连接，实现自动售货机的控制。

3.1通过以太网设置组态王

(1)打开组态王软件，设置组态王；

(2)在设备COM1新建框下单击右键，选择新建逻辑设备，在设备驱动PL框C下选择西门子S7-200(TCP)，若整个网络是局域网，则所有IP地址可以静态或动态分配，若网络为广域网，则IP地址需要固定；

(3)输入端口地址(格式：IP地址，冒号，PLC地址)，比如：192.168.0.101：2。

3.2组态王虚拟被控对象

(1) 变量建立—在组态王菜单下单击“数据词典”，双击“新建”选项建立全自动售货机所需要的变量。在建立之前，根据任务要求分配输入输出点，比如：人民币一元分配给I0.0、二元分配给I0.1、三元分配给I0.2、找零按钮分配给I1.0,物币指示分配给Q0.0，找零指示分配给Q0.7。在定义变量窗口下输入变量名、选择变量类型、连接设备、寄存器、数据类型和读写属性等，变量类型为“I/O离散”，连接设备为我们之前在以太网中建立的“PLC设备”，读写属性选择为“读写”。

(2)图形界面设计—全自动售货机的界面有两部分组成，一部分是界面显示区，另一部分是菜单区。打开组态王软件，在画面菜单下新建画面、使用工具箱中的“多边形”选项绘制自动售货机外形框架、打开“多边形”选项选择指示灯以及使用“按钮”选项绘制各种按钮，可根据需要更改按钮名称。图形界面如图4所示。

在图形界面右侧的历史曲线界面制作中，要显示的变量需要在数据词典定义时选择“记录与安全区”下的“数据变化记录”选项，以保证变量变化的过程能被记录下来。选择工具箱中的“插入通用控件选项”，选择“历史趋势曲线”，右键单击画面，选择“控件属性”，在历史库中添加本站点所对应的历史曲线中显示的变量，比如：\本站点咖啡和\本站点汽水，可以对曲线的类型、绘制方式、颜色等进行定义。

在“历史报表”界面制作中，可以记录全自动售货机商品销售情况，需要使用ReportSetHistData2(2,1) 函数，括号中，2表示查询的数据在报表中从第二行起始，1表示查询的数据在报表中第一列起始。ReportSetCellString2(“Report1”, 1, 1, 33, 10);括号中“”表示要清除33行10列里的内容。

(3)脚本文件的编写—在全自动售货机中，需要实时显示物币投入的情况，可以借助脚本来实现，新建变量Y00，内存整形，在画面命令语言中编写脚本语言：

if(\本站点一元==1) \本站点Y00=\本站点Y00+1;else if(\本站点二元==1) \本站点Y00=\本站点Y00+2;else \本站点Y00=\本站点Y00+3;if(\本站点汽水按钮指示==1)\本站点Y00=\本站点Y00-3;if(\本站点咖啡按钮指示==1)\本站点Y00=\本站点Y00-5;if(\本站点找零按钮==1) \本站点Y00=0。

3.3调试运行

在PLC编程软件中编写全自动售货机程序，建立编程软件与PLC的通信连接，编译、下载后全速运行，打开组态王软件，选择文件/切换到View，按下“硬币投入”3元按钮，此时在货币指示中显示03，对应的可选“汽水”指示灯亮，当按下选择“汽水”按钮时，出口“汽水”指示灯亮，表示购买已经完成，运行结果如图4所示。

图4　全自动售货机界面

单击图形界面右侧的“历史报表”，选择“查询按钮”，在报表历史查询的时间属性中选择起始时间为16：40：39秒，终止时间选择16：50：39秒(每次显示间隔时间为5秒)，变量选择中默认的是\本站点咖啡和\本站点汽水，单击确定，可以显示在此10分钟内咖啡和汽水销售情况，在图5中，16：40:39销售了一瓶咖啡，16:41:19销售了一瓶汽水，通过该报表，可以查询任意时段的销售情况，可以统计任意时段的销售总量，据此可以判断某种商品的销售情况，借助打印机可以实现报表的打印。另外，还可以通过实时曲线和历史曲线了解商品销售记录。

图5　全自动售货机历史报表

4结语

本文介绍的虚实结合实验室在我院自动化专业经过1年多的使用后，学生和教师普遍反映良好，总结起来，该实验室具有如下优势：

(1)虚拟实验对象不受硬件设备的限制，也不存在实验设备损坏的问题，节省了实验室建设费用，减少维护工作量；

(2)由于采用的是虚拟实验对象， 教师在教学过程中可随时更新实验项目，使理论教学和实验教学更紧密的结合[9]；

(3)激发学生学习的兴趣。学习组态软件简单易行，动画效果突出，把枯燥的学习变得生动有趣。

(4)可以作为新项目研究开发的平台，可虚拟多种形式的被控对象、通过Profibus、Profinet接口等形式组件网络，完成新项目的开发任务，缩短开发周期，提高效率。

参考文献：

[1]刘力.组态软件在PLC 实验系统中的应用[J],上海:实验室研究与探索，2014，33(4)：127-129

[2]魏祥林，付龙飞，王树东“电气控制与PLC应用”课程教学理念优化[J].南京:电气电子教学学报，2012,34(2):56-59.

[3]严盈富，罗海平，吴海勤． 监控组态软件与PLC 入门[M].北京:人民邮电出版社，2006

[4]李时辉,刘炜娜.基于组态与多媒体软件的PLC虚拟实训平台构建[J],西安:现代电子技术，2013,36(5):142-144

[5]刘红霞，徐磊.组态软件中实时数据库系统的研究与实现[J],重庆:自动化与仪器仪表,2014,(5):40-44

[6]王宝林. 基于组态软件的PLC 仿真教学系统设计[J].南宁:轻工科技,2013(5):111-112.

[7]苗红霞,齐本胜.PLC控制技术实验教学改革研究与实践[J].北京:实验技术与管理，2010(3):136-139.

[8]全晓莉,周南.基于虚拟仪器技术的数字电路实验系统研究[J].北京:实验技术与管理，2014,31(4):96-98

[9]王宝林.基于组态软件的全虚拟PLC教学系统实现及应用[J].北京:中国教育技术装配，2014，(8):42-45

Construction of Virtual-real Combination Laboratory for PLC Based on Configurable Software

WANG Chao

(Thedepartmentofphysics，ChangjiUniversity,Changji831100,China)

Abstract：According to the characteristics of the teaching mode of the PLC experiment course , the virtual-real combination laboratory with the combining of configurable software and PLC is established, The implementation process of the combining of the configuration software to simulate the controlled object and PLC is specified in detail by full automatic vending machine for example. Research shows that the laboratory is favorable platform for PLC practice teaching because of its advantages，such as convention and low cost,ect.

Keywords:configurable software; PLC; virtual-real combination; structure of laboratory

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0138-04

中图分类号：TP23

作者简介：王超(1979-)，男，硕士，讲师，主要从事自动化技术应用及仿真的教学和研究，E-mail：wang0001chao@163.com

基金项目：新疆维吾尔自治区高等学校科学研究计划项目(项目批准号：XJEDU2014S070)；昌吉学院教学研究项目(项目编号：14jyyb012)

收稿日期:2015-03-23;修回日期:2015-09- 14