西门子S7-200和力控组态软件的PLC虚拟仿真平台设计

林娟, 董红生

(兰州工业学院 电气工程学院，甘肃 兰州　730050)

0　引　言

可编程逻辑控制器[1-2](PLC)以其可靠性高、通用性强和使用简便等优点广泛应用于工业控制的各个领域。PLC课程作为工科电气、自动化类专业的一门重要的专业必修课,实践性强是该课程的最大特点，课堂教学主要以理论讲授为主，课堂之上无法展示PLC实物及系统的工作过程，学生无法深刻理解PLC的工作原理，且PLC不同于计算机，无法通过显示器观察到PLC系统的执行结果，PLC 程序的验证只有与被控对象结合才能实现。传统实验室开设PLC实验，不仅配置PLC硬件、PC机、软件及相应的控制模块，一般都要求有真实的被控对象，而实物对象一般都有体积大、份量重、配线、供电等问题，很难将实验设备带入课堂进行现场教学。如在实验基地进行教学，对于学时较多综合实践环节，这一教学方式有一定优势。但将课堂教学完全移到实验基地，也会带来诸如学生听课注意力易分散、学生安全、设备管理等新的问题，导致教学效果降低。如何在课堂上展示PLC实物及其工作过程，使学生形象直观的学习，从而增强课堂教学的师生互动性。制订实施方案分三个阶段：第一阶段主要任务是结合本校实际情况，提出方案设想，撰写实施方案。第二阶段为实验调试阶段，针对可编程控制器对各类指令的教学要求，本阶段主要建立了六个典型的教学实例：(1)交通灯、(2)密码锁、(3)水塔水位、(4)铁塔之光、(5)数码管、(6)通风机，以交通灯项目为例详细的论述了S7-200PLC和力控组态软件的实现方案，并且建立了PLC实验教学系统。第三个阶段，实际课堂应用，激发学生学习的主动性并提高了课程教学效果。

1　PLC虚拟仿真平台建设的实现方案

本文提出了PLC 的虚拟仿真构建的思想，即设计一种配置简化，易于教师携带，同时带有PLC实物，既便于教师在课堂演示又能使学生在课外自主实践的虚拟仿真平台[3-4]。PLC的虚拟仿真平台是将组态软件[5-6]和PLC编程软件有机结合为一个整体，系统硬件只需要PLC模块及计算机，所需的其他硬件设备由组态软件虚拟模拟，通过串行通信方式由PLC编程软件驱动执行，不需要外接设备，只在组态软件的画面里进行相关脚本的编写，实现PLC系统的半实物虚拟仿真[7]，设置相关命令从而得到理想虚拟仿真教学实验系统[8-10]，

2　基于西门子S7-200型PLC和组态软件的PLC虚拟仿真平台的组建

PLC虚拟仿真平台的结构框图如图1所示，首先编制PLC程序，检查PLC程序的正确性并做出相应的修改调试，其次在组态软件中构建相应的人机界面，将两者进行通信连接设置并在组态软件上实现虚拟仿真，通过对组态软件仿真界面中的控制对象的相应动作来观察教学实验系统的控制结果，实现理想的虚拟仿真教学实验系统。

图1　PLC虚拟仿真平台的结构框图

3　PLC虚拟仿真实验项目及仿真系统调试

以十字路口交通灯项目为例，构建虚拟仿真的硬件和软件条件：西门子S7-200 CPU226、PC/PPI电缆、计算机、PLC的编程软件STEP7 MicroWinV4.0和力控Force Control通用组态软件，实现组态软件与西门子设备串行通讯。

3.1　力控组态软件通过串口(COM1)与S7-200 PLC进行连接

交通灯系统的监控实现的主要功能：(1)构建力控的组态界面，系统包括启动和停止功能，此界面控制和监测S7-200 PLC连接的交通灯系统；(2)力控运行界面监控运行状态，组态画面点击启动或停止按钮的同时交通灯系统通过PLC硬件指示灯观测运行结果。

3.2　力控与西门子S7-200 PLC连接过程

工程项目导航栏中双击“IO设备组态”栏，弹出的窗口中点击“PLC”前面的“+”选项，点击“SIEMENS”前面的“+”选项，双击“S7-200(PPI)”选项，弹出的画面中定义设备的名称(本项目中是“200”)及设备的地址号，本项目中是“2”选项。在I/O配置向导中点击“下一步”，选择与I/O通讯的COM口(本项目是COM1)。如需使用“高级”选项，即在弹出的画面中设置通讯参数，一般情况下为默认选项。在S7-200的编程软件中打开通讯端口然后在端口通信参数里设置端口0的站号为“2”，通信波特率为“9.6 kbits”，如图2所示。

图2　力控与西门子S7-200 PLC连接

1)数据库点

本项目中，使用中所建的8个数据库点分别为eastred、eastgreen、eastyellow、southred、southgreen、southyellow、start、stop。

2)建立数据连接项

数据库主要功能包括数据点的点参数和采集设备的通道地址相对应，同时在数据库中进行现场的数据处理、量程变换、报警处理、历史存储等。已建立一个“S200”的I/O设备，连接新增的数据库点与“200”中的数据项，进行新增的数据库点的PV值与I/O设备“200”实时数据交换，实现与数据库连接。数据库可以与多个I/O设备进行数据交换，不同项目需要指定项目数据库点与项目地址I/O设备的具体数据项建立数据连接，双击数据库中点“I/O连接”的选项，点击“数据连接”或双击“eastred”所对应的“数据连接”选项，显示如图3所示的界面。

图3　建立数据连接

完成所有组态的数据连接，单击保存按钮并退出数据库组态界面。保存所有组态内容后进入力控运行系统，使用PC/PPI电缆把电脑的COM1口与S7-200CPU的COM0口连接，保证PLC跟电脑正确通信，将编写好的程序下载至PLC中，设置PLC为运行状态。力控的开发系统中点击“文件—进入运行”栏，进入力控的运行系统，运行系统中点击“文件—打开”栏，显示“选择窗口”选择“交通灯”画面，弹出选择的力控运行画面。上位机上可以做出相应的控制。启动交通灯或关闭交通灯，启动时点击组态界面中的启动按钮，停止时点击组态界面中的停止按钮，如图4所示力控组态软件界面和PLC硬件指示灯同时显示执行结果。

图4　交通灯结果演示

4　结束语

此系统的开发方便了老师在课堂上的教学，一边讲课一边也可以做很好的演示，不进入实验室里面教学学生在课堂上也可以清晰的看到虚拟仿真平台的教学成果。借助虚拟平台，导入课程任务及目标、展示项目结果，让学生对PLC有一个直观的认识，并在实际应用中不断修改完善。该平台系统能完成PLC课程要求的所有实验及典型应用系统仿真演示，具有成本投入低、设计灵活、应用方便、演示生动逼真等特点，此系统的开发应用不仅能够充分发挥学生个人的创造性思维和动手能力，提高学生的学习兴趣，对于学生自主学习有很大帮助。此平台应用在日常教学中，通过课堂应用、学生评价不断完善虚拟平台建设并达到提高教学水平的目的，是PLC课程的理论和实践教学改革的一次有益尝试。

参考文献：

[ 1 ] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社，2003.

[ 2 ] 郭西进，任良才，耿乙文．PLC综合实训平台的设计与实现[J]．实验室研究与探索，2011，30 ( 6) : 162-165．

[ 3 ] 蔡自兴．智能控制[M]．北京:电子工业出版社，2004．

[ 4 ] 刘力．基于组态的PLC虚拟教学系统的研究[J]．电气自动化，2015,37(4):106-108.

[ 5 ] 袁秀英.组态控制技术[M].北京:电子工业出版社，2003.

[ 6 ] 周关兰. PLC电气控制与组态设计[M].北京:科学出版社，2003.

[ 7 ] 王啸东．PLC虚拟实验室的研究与建设[J]．实验室研究与探索，2012,31(9):210-213.

[ 8 ] 陈海生，郑萍全．虚拟PLC 远程试验系统的研究与实现[J]．自动化仪表，2013，34( 3):28-30．

[ 9 ] 周天沛，代洪.虚拟PLC仿真实验平台的设计[J].工业仪表与自动化装置，2016,46(2):77-79.

[10] 李继芳，许英杰，鲍平.PLC虚拟仿真实训教学平台建设探索[J].实验技术与管理，2016,7(2):118-121.