基于组态软件的PLC 实训虚拟负载开发

郑 渊

（青岛港湾职业技术学院 山东 青岛 266000）

1 引言

信息技术时代，PLC 在工业自动化系统中的应用日益广泛，PLC 课程的实践教学至关重要。目前的PLC 实训装置考虑到设备成本以及安全等问题一般不会配有真正的生产设备，一般使用按钮开关来模拟实际的限位开关或者用指示灯来模拟实际设备的动作机构，从而导致PLC 等课程在实施项目化教学的过程中部分项目很难做到直观形象的教学，影响了实践教学效果。

本文以滑块的运动控制为例研究如何通过组态王软件设计虚拟负载，通过组态监控画面来仿真实际生产设备的运动和控制过程，既能最大幅度利用有限资源、降低实训开发成本，又能有效地激发学生的学习兴趣和实际操作能力，从而提升PLC 的实践教学效果[1]。

2 组态软件简介

组态软件是上位机软件的一种，能够实现对自动化过程和装备的监视和控制[2]。它主要具备两个方面的功能，一是能够远程监视设备的状态，对设备发生的故障进行报警或记录，统计显示生产数据，节省了现场巡视的时间；二是能够实现对设备和生产过程的远程自动控制以及工艺参数的远程调整。

目前市场上的组态软件有很多种类，比较知名的有WINCC、组态王、MCGS 等，本文使用的组态软件为组态王，该软件是一款国产组态软件，在国内应用较为广泛。

3 虚拟负载的组成和设计思路

3.1 虚拟负载的组成和动作过程

动作过程为：滑块初始位置在左限位处，按下启动按钮后，主电机的电，制动器电机同时得电松闸，滑块右行，右行至右限位处暂停2 秒然后自动左行，左行至左限位处暂停2s 后再自动右行，如此周而复始。按下停止按钮后，完成一个周期的剩余动作后在左限位处停止。左右限位和制动器释放限位动作时应有相应的颜色指示。制动器释放限位故障设置开关可以设置制动器释放限位故障，必须通过故障复位按钮才能复位。

3.2 设计思路

PLC 采 用 西 门 子S7-200 SMART CR40 CPU 模块，该模块采用以太网与计算机通信，编程软件采用STEP 7-MicroWIN SMART，组态软件采用组态王kingview6.55。

通过组态王软件设计监控画面，在画面上绘制主电机、制动器、制动器释放检测限位、丝杠滑块、左右限位等图形元素并将其与PLC 的软元件建立连接，一方面当PLC 的软元件发生变化时使这些图形元素的位置、颜色等发生相应的变化，另一方面当操作画面上的图形元素或图形元素的位置变化时使PLC 的软元件的值也有相应的变化，从而通过组态监控画面实现对滑块动作过程的模拟以及控制。

4 组态设计

4.1 PLC I/O 分配和程序设计思路

虚拟负载为滑块运动控制系统使用了3 个PLC 输入点（启动、停止、复位按钮）、2 个PLC 输出点（左行、右行接触器）以及3 个与触摸屏通讯的内部变量（左限位、右限位和制动器释放限位）。PLC 输入地址范围为I0.0 ～I0.2，输出地址范围为Q0.0 ～Q0.1，与触摸屏通讯的PLC 内部变量为V0.0、V0.1 和V0.2。

PLC 程序设计的主要思路为通过四个起保停程序段实现滑块的左右行以及延时，通过制动器电机输出点Q0.2与制动器释放检测限位V0.2 之间的异或逻辑来判断制动器是否发生故障，同时为了避免故障误判，在两者的异或逻辑后面增加了0.5 秒的延时环节。

4.2 变量定义

为了让组态画面中的图形元素能够模拟实际设备的动作过程，还需要在组态王软件中进行相应的变量定义，组态王通过“数据库—数据词典”进行变量定义，包括内部变量和外部变量两种，其中外部变量需要与PLC 变量相关联。

本项目中定义了6 个外部变量和2 个内部变量，其中6 个外部变量分别与PLC 的Q0.0 ～Q0.2 和V0.0 ～V0.2相关联，变量的类型为布尔型变量；2 个内部变量分别为滑块位置和制动器故障设置开关，变量类型为内部整型和内部离散。

室温下，将有涂层和无涂层的Q235钢片样品分别浸泡模拟海水中，试验中发现，有涂层样品浸泡34天后，涂层表面没有出现任何裂纹，所泡盐水也没有出现黄色的腐蚀产物；无涂层样品浸泡6 h后溶液中出现大量的褐色腐蚀物.有涂层的原始样品在模拟海水中室温浸泡不同时间的照片如图7所示.图7显示，有涂层的样品在模拟海水中室温浸泡不同时间后，其颜色仍全是银白色的，没有受海水腐蚀的影响.

4.3 动画组态

4.3.1 滑块水平移动的组态

双击制动器的制动闸瓦，在“动画连接”窗口中设置“水平移动”属性，将其与内部变量“滑块位置”相关联，使其在“0 ～300”之间移动。

4.3.2 左右限位的动作组态

双击左限位的直线摆杆，在“动画连接”窗口中设置“旋转”属性，将其与内部变量“左限位”相关联，使V0.0由通到断时逆时针旋转40 度，模拟限位复位的动作，由断到通时则顺时针旋转40 度，模拟限位动作。右限位的设置与之相同，不再赘述。

4.3.3 制动器限位的动作组态

双击制动器释放限位的直线摆杆，在“动画连接”窗口中设置“旋转”属性，将其与内部变量“制动器限位”相关联，使V0.2 由断到通时顺时针旋转60 度，模拟限位动作的情况，由通到断时则逆时针旋转60 度，模拟限位复位动作。另外通过“制动器限位故障设置开关”来人工模拟制动器释放限位与制动器命令信号不一致时导致的故障信号。

在画面的命令语言中编辑相应的命令语言，以实现“制动器限位故障设置开关”的故障模拟功能和滑块左右移动到位时模拟触发左右限位的相关动作功能，如下所示。

if(\本站点开关==0) \本站点制动器限位=\本站点制动器电机;

else{if(\本站点制动器电机==1)\本站点制动器限位=0;

if(\本站点制动器电机==0) \本站点制动器限位=1;}

if(\本站点滑块右行==1) \本站点位置=\本站点位置+30;

if(\本站点滑块左行==1) \本站点位置=\本站点位置-30;

if(\本站点位置==0) \本站点左限位=1;

Else \本站点左限位=0; if(\本站点位置==300) \本站点右限位=1;

Else \本站点右限位=0;

5 结语

本系统利用组态软件实现了滑块运动控制系统的设计，经过实验验证，可以通过组态画面可以监控滑块动作的过程，使学生明白限位开关和制动器的实际动作原理，教学过程变得更加形象生动，弥补了PLC 实训装置的不足之处。