基于组态仿真技术的纸机实验系统设计

任思璟， 李春华， 李忠勤

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

0 引 言

可编程控制器(PLC)是自动化、电气工程及其自动化专业的必修课，已广泛应用于工业控制的各个领域[1-3]，为了适应PLC日益广泛的应用形势，近年来，许多高校都加强对PLC课程的重视程度，加大实验实训基地建设，增加PLC实验课程学时,经过一段时间的运行，取得了较好的结果，但是仍有不足之处[4-5]。

1 存在的问题及解决途径

(1) PLC课程是一门实践性很强的课程，高校教师大部分都是毕业后就直接进入学校，缺少工程实践经验，无法将工程实际与基础理论相结合，讲授过程中不能使学生掌握PLC在生产实际中的应用，不能真正解决实际问题[6]。

(2) 尽管多数高校在该课程中设有实践教学环节，但是训练的强度和真实度还是不够，目前PLC实验大多涉及到被控对象(如电机、变频器等)和执行机构(如机床导轨、滑台、机械手臂等)，出于成本的原因，都是采用发光二极管模拟实验效果，不能直观、逼真地显示PLC动态控制过程，学生的实验兴趣和积极性自然也不高[7]。

随着组态软件及其技术的发展，把PLC与组态控制结合起来，即将组态仿真技术应用于PLC教学，通过PLC和控制对象模型之间的通讯，完全虚拟出整个工程过程，该类实验系统成本低，解决了购置实际被控对象需要大量的资金，同时存在占用空间面积大、不能及时更新等问题[8]，也避免实际对象在工作过程中的移动、升降和旋转等动作的危险性，提高了安全系数。

本文研究了一种基于组态软件监控的纸机传动实验装置，通过传感器测量各项参数(转速、温度、压力)，利用PLC的A/D模块将传感器输出的模拟量信号进行采集后，与上位机进行实时通讯[9-10]，组态软件以动画显示、报警处理、实时曲线等多种方式向用户虚拟显示整个实际生产过程，该实验系统开发周期短且符合工业现场情况[11-13]。

2 纸机传动实验系统的构成及原理

造纸机主机的5个传动点(网部，压榨，干燥，压光，卷纸)由5台交流电机拖动，交流电机由ABB变频器调速装置驱动，变频器输出的频率即对应电机相应的速度。该系统的控制采用PLC作为控制核心，根据烘缸温度的变化状况来控制主电机的速度，并采用组态软件作为上位机，其主要功能有：启动/停止变频器、控制下料阀门的开度、显示变频器的输出频率、车速、烘缸温度等。本设计的纸机多段速度控制系统采用多级控制结构如图1所示。由上位机、操作台、PLC、变频器和电机组成一套自动控制系统[14]。

图1 系统结构图

纸机传动控制系统第一级为驱动级，采用ABB变频器实现对变频交流电机的速度及纸带张力等参数的控制。

第二级为PLC控制系统，采用西门子S7-300可编程控制器通过指令程序完成纸机传动控制系统的速度控制、负荷分配控制和定时控制等。在系统运行时，PLC控制器从输入模块获得信息，通过程序运算后之后，将结果传达给变频器。

第三级为上位机操作系统，通过组态王软件构建仿真操作界面，使得对纸机的各项操作能直接通过组态王的工作界面来设定和执行，并能通过监控界面直观显示纸机运行的状态和必要的数据，保证和维护系统的正常运行[15]。

3 组态仿真系统的开发

组态系统是由装有组态王软件的计算机、输入、输出设备及PLC组成。该系统通过通讯电缆使组态软件与PLC直接进行数据交换，使PLC控制的执行情况能够实时、直观地在电脑画面上显示出来，供学生学习。

组态王软件设计主要包括I/O设备组态、组态王数据词典定义、组态画面设计制作等几部分。

3.1 I/O设备组态的建立

I/O设备组态是指根据现场的硬件I/O设备的物理类型和实际参数，在组态王软件开发系统中创建对应的逻辑I/O设备，并设定相应的通讯参数，以便完成组态与硬件设备的数据通讯。在设备配置中定义西门子S7-300系列PLC的通信设置，一般通信选择为MPI方式。

3.2 组态王数据词典定义

在组态王软件中，图形变化、数值显示、控制参数输入等都是通过“变量”来传递数据或状态，变量的属性一般包括：变量名、变量的类型、描述、变量灵敏度、变量的取值范围以及I/O变量的连接设备信息等。

组态王的变量分为内部变量和I/O变量2种类型。其中I/O变量是指与外部设备进行数据通讯的变量，而内部变量一般指只在组态王内部进行数据处理的变量。所有在仿真界面中需要使用的内部变量和I/O变量都必须在数据词典中进行定义，根据需要在数据词典中增加数据变量，设置名称和类型。

3.3 组态画面设计制作

在画面开发界面的图库中调出按钮、阀门、电动机、变频器、报警窗口等素材创建符合生产实际情况的纸机传动控制系统的基本画面及监控画面，明确各图形对象的含义，采用动画连接方式将组态画面中图形对象与变量建立对应关系。组态软件运行时，要求在组态王的控制画面中可生动形象地看到传送带的上升和下降、电机的启动和停止、电磁阀的启停等动画效果以及在监控画面上能够形象地表现出流量和温度、电机转速等数据所发生的变化，从而加强监控效果，形成良好的人机交互界面来观察控制系统的变化是否符合设计要求。纸机的监控系统如图2、3所示。

图2 纸机仿真系统控制界面

图3 纸机仿真系统监控界面

4 结 语

通过西门子S7-300和组态王软件在纸机传动控制系统上的实验教学, 证明通过组态软件模拟实际生产过程，让学生亲自编程、实际接线和仿真调试，并对运行过程中所遇到的问题进行分析和改进，对学生的实践能力有很大的提高。该系统具有通用性、开放性及可扩展性，能够满足其它类似项目的课程教学和科研创新实践能力培养，具有广阔的推广应用前景。

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