基于PLCSIM和真实PLC的分布式教学平台设计和实现

摘要：设计并实现了一种基于PLCSIM和真实PLC的分布式教学平台，使用PLCSIM代替价格昂贵的操作站PLC，大幅降低了学校在实习实训设备采买上的投入，为每位学生学习分布式控制创造条件，提高学生的学习灵活性和学习效果，达到帮助学生学习分布式控制、工业通信总线、PLC编程和界面（HMI）组态等核心内容的目的。

关键词：PLCSIM;真实PLC;分布式;教学平台

0 引言

随着我国从制造大国向制造强国转型升级[1]，我国制造业的生产设备正在从独立式、孤岛式向网络化、智能化方向转型。信息化技术应用不断加强，打通了各生产环节的信息高速公路，数据集中显示和控制已成为大趋势。目前，各高校大部分采用的是实训平台实训模式，设备采购、维护、更换升级都需要大量的资金投入。

本文设计并实现了一种基于PLCSIM和真实PLC的分布式教学平台，使用PLCSIM代替价格昂贵的操作站PLC，管控底层现场控制单元，达到帮助学生学习分布式控制、工业通信总线、PLC编程和界面（HMI）组态等核心内容的目的。此系统可以大幅降低学校在实习实训设备采买上的资金投入，为每位学生学习分布式控制创造条件，提高学生的学习灵活性和学习效果。

1 分布式教学平台的总体设计

本教学平台采用PLCSIM（虚拟PLC，软PLC）代替价格昂贵的300型、400型PLC，保留底层价格便宜的SMART 200系列PLC，可低成本实现学生大规模的DCS系统实习实训。设计的分布式教学平台结构如图1所示。

本平台主要由PLCSIM和MCGS组成的操作站以及200 SMART PLC和应用场景组成的现场控制单元组成。其中，SIMATIC Manager用于完成300型、400型PLC的硬件组态、网络组态、逻辑程序编写和调试任务;PLCSIM用于模拟真实的PLC运行编写的程序，为SIMATIC Manager编写的程序和200 SMART PLC提供通信功能;MCGS组态环境和运行环境主要完成工作站的用户界面组态和用户监控程序运行任务。

2 教学平台搭建

2.1    SIMATIC Manager软件

SIMATIC Manager是西门子开发的对300型、400型PLC进行编程和调试的软件。SIMATIC Manager可以完成PLC程序的在线调试运行，降低学生编写和调试程序的难度。

2.2    STEP 7-Micro/WIN SMART软件

STEP 7-Micro/WIN SMART是西门子开发的SMART 200系列PLC的组态、编程和调试软件。SMART 200系列PLC是首选的低成本的电机控制（伺服、变频）PLC，具有极高的性价比。

2.3    PLCSIM软件

PLCSIM软件用来模拟真实的PLC完成数字量和模拟量输入/输出、逻辑程序运行、通信等功能。PLCSIM具有通信功能，可以完成PLC间的数据交互。

2.4    MCGS开发和运行环境

本设计选用通用版MCGS作为人机界面（HMI）组态开发和运行环境软件。MCGS开发软件分为3个版本：嵌入式版、通用版和网络版。嵌入式版MCGS需要配合实际的触摸屏使用，网络版MCGS控件相对较少，且学生学习以本机学习为主。MCGS开发运行环境主要用来对操作站PLC的数据进行交互，实现控制过程数据的可视和界面控制功能。通用版MCGS又分为组态环境和运行环境，组态环境用于人机界面实现、控制逻辑编制、设备组态、数据连接等[2]，MCGS运行环境为开发环境完成的程序提供运行环境。

2.5    数据的桥接

由于PLCSIM无法和真实的PLC进行通信，因此需要使用桥接软件完成PLCSIM和外界PLCSIM、MCGS运行环境之间的通信。本系统选用NetToPLCsim作为PLCSIM、200 SMART PLC和MCGS运行环境的桥接工具。

3 调试与运行

为了验证该分布式教学平台的可行性，本设计以三级传送带启停为例，调试分布式教学平台。本实例用MCGS开发的HMI界面显示三级传送带运行状态并控制操作站PLC（PLCSIM），操作站PLC（PLCSIM）只给200 SMART PLC发送启动和停止控制信号，三级传送带控制程序在现场控制单元PLC中编写。三级传送带为了避免货物堆积造成货物或者传送带设备损坏，对启动顺序有一定的要求。本实例的要求为启动时，第一级传送带启动2 s后，第二级传送带启动，3 s后，第三级传送带启动。停止时，三级传送带同时停止。

本实例使用两台PC和一台200 SMART PLC来实现操作站工作站和现场控制单元的功能。操作站工作站（PC1）实现操作站PLC的仿真、信号的桥接和MCGS开发运行环境的运行。现场控制单元（PC2和200 SMART PLC）实现电机正反转的程序编写和运行，三级传送带启停的控制信号由200 SMART PLC的数字量输入/输出端口信号模拟。

3.1    PLC程序的设计

3.1.1    三级传送带启停的工作原理

三级传送带的启停控制由200 SMART PLC实现，需要在STEP 7-Micro/WIN SMART中編写控制逻辑。对本实例中三级传送带启停状态进行分析，三级传送带启停程序状态如表1所示。

3.1.2    信号分配

由于控制逻辑在200 SMART PLC中编写，启停的信号可由200 SMART PLC本地的数字量输入端口或者内部变量控制，亦可由MCGS编写的HMI程序中的变量控制。通过对系统架构的分析，设计本平台的信号分配表，如表2所示。

3.1.3    200 SMART PLC和仿真PLC交互数据

由于三级传送带的控制逻辑在200 SMART PLC中编写，启动和停止信号由MCGS编写的HMI程序读写到虚拟的PLCSIM中，200 SMART PLC和仿真PLC交互数据通过200 SMART PLC读写PLCSIM中数据实现。

3.1.4    编制PLC程序

根据三级传送带启停的工作原理设计的传送带启停程序如图2所示。

3.2    MCGS程序设计

MCGS程序设计分为三大部分：设备组态、数据连接、界面（HMI）组态。

3.2.1    设备组态

在设备组态窗口中，添加“西门子CP443-1以太网模块”。设备组态需要完成本地IP地址（运行MCGS程序的计算机IP地址）的设置、远程IP地址（需要连接的PLC地址）的设置。

3.2.2    数据连接

MCGS内部的数据对象需要和PLC内部变量连接，赋予MCGS内部数据物理意义。PLC内部变量和MCGS内部数据连接关系如表3所示。

3.2.3    界面（HMI）组态

按照需求，放置元器件后，连接控件和MCGS内部数据对象绑定。传送带启停界面元件和数据绑定关系如表4所示。

3.3    运行结果

200 SMART PLC程序编写完成后，下载到PLC。PLCSIM仿真的PLC不需要编写PLC程序，只需要硬件组态。组态后，程序下载到PLCSIM中，启动NetToPLCsim和MCGS编写的HMI程序。运行的分布式教学平台效果如图3所示。

4 结语

本文以三级传送带启停程序的调试和运行为例，验证了设计的基于PLCSIM和真实PLC的分布式教学平台运行正常，能够满足PLC的分布式教学要求。设计的教学平台使用PLCSIM代替价格昂贵的操作站PLC，可以大幅降低学校在实习实训设备采买上的投入，为每位学生学习分布式控制创造条件，提高学生的学习灵活性和学习效果，达到帮助学生学习分布式控制、工业通信总线、PLC编程和界面（HMI）组态等核心内容的目的。

[参考文献]

[1] 李光，韩芮.“工业4.0”视阈下智能包装装备发展趋势[J].包装学报，2018，10（1）：34-41.

[2] 冯军磊，王艳平.基于MCGS和PLCSim的虚拟教学实验平台的设计与实现[J].机电信息，2020（6）：70-71.

收稿日期：2021-02-22

作者簡介：冯军磊（1989—），男，河南西平人，助教，研究方向：计算机检测与控制、物联网技术应用、机电一体化。