WinCC组态软件在PLC课程教学中的应用

蒋 杉，吴剑威

(合肥师范学院 物理与材料工程学院，安徽 合肥 230601)

近年来，随着计算机技术、信息技术和自动控制技术的迅猛发展和交叉融合，智能化的控制器和控制芯片层出不穷。PLC(可编程逻辑控制器)因为其可靠性高、抗干扰能力强、维护简单而成为当前工业电气控制的主流方法之一，具有广阔的应用前景[1]。掌握PLC应用技术已经成为从事电子信息类、自动化类等专业技术人员的迫切需求。为满足社会需要，国内众多高校相关专业已经将PLC应用技术列为一门重要的专业课程。合肥师范学院也将其作为一门重点课程来建设，教学内容以西门子公司生产的S7系列PLC为主。

在传统的PLC教学方式中偏向于讲授基本原理、基本指令和基本操作，忽略了学生的实践能力，不适合于培养应用型人才[2]。即使通过实验课程来提高学生动手能力，但大部分实验教具仅能通过指示灯来验证控制效果，无法观察到整个控制过程的实时状态和参数，控制模型过于抽象，以致学生对所学知识难以掌握，教学效果难以保证。

为了将控制过程清晰的展现在学生面前，将WinCC组态软件引入PLC教学中，实现了在计算机上模拟整个控制系统的运行状态，使教学内容更具有生动性和直观性，增强了教学效果。

1 WinCC组态软件介绍

WinCC组态软件是1996年西门子公司推出的在Microsoft Windows NT和Windows 2000 环境下的一种高效HMI(人机接口)系统，用于实现控制过程的可视化，并为操作人员提供开发图形用户界面的软件环境[3]。该软件集成了SCADA、组态、脚本语言和OPC等先进技术，具有全面开放性，容易结合用户的下位机程序建立起人机界面，是Simatic全集成自动化系统的重要组成部分。

WinCC组态软件在运行过程中，会将控制过程以图形化的方式显示在计算机屏幕上，主要包括所开发系统的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、趋势画面等，当系统状态发生变化时，显示即可随之刷新[4]。将WinCC引入PLC教学中，学生可以清晰地观察控制过程中参数的变化对系统稳定性的影响，使学生深入理解教学内容，避免了教师反复抽象的板书和语言描述。使用WinCC时，操作人员可以通过修改图形用户界面中的相关参数对控制过程进行调节，如修改参数、修改预设控制值、打开阀门、给电机通电等[5]。在PLC实验过程中，学生可以将自己设计的控制策略通过人工设置的方式在所搭建系统中实现，并可通过监视画面和趋势画面观察和比较控制效果。这样使学生主动参与到实验设计中来，拓展了思维，加强了动手能力。在WinCC运行过程中，当控制参数超过预设控制值或出现临界状态，用户图形界面中会出现报警信号。另外，WinCC可以生成数据报表，并对运行过程参数进行归档保存，形成历史数据，便于事后查询与访问。这些功能使得学生在上实验课时，不需要把大部分时间用来记录数据，而有更多的时间观察实验进程，分析实验结果。

WinCC不依赖硬件环境[6]。通过同一台电脑上WinCC软件和STEP7程序进行通讯，可模拟出所需要的硬件模型并进行调试。在离开实验室之后，只要拥有一台安装了相应软件的电脑，学生仍然可以在课下进行PLC的编程操作，这保证了学生有足够的练习时间，提高了自学效率。

2 WinCC在PLC教学中的应用实例

下面以PLC课程实验“锅炉内胆水温PID控制”来体现WinCC组态软件在PLC教学中的应用。

图1 锅炉内胆温度测试系统结构图

图1所示为锅炉内胆水温测试系统结构。其中F1-1和F1-2为手动调节阀，TT1为温度传感器，TC为Simatic S7-300。本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量，要求水温稳定至预设值，将温度传感器TT1检测到的水温信号作为反馈信号，与预设值进行比较后通过PLC控制三相调压模块的输出电压，达到控制锅炉内胆水温的目的。该实验如果仅采用下位机软件Step7进行编程开发，在实验设备上安装指示灯进行观察，将无法呈现整个控制过程和系统的状态变化情况，不利于学生分析思考，使教学效果大打折扣。

因此，结合WinCC组态软件进行教学，设计了一个如图2所示的图形用户界面。整个图形用户界面左侧为硬件系统组态图形。右侧的控制面板上半部分设计了进度条观测锅炉内胆水温的设定值、测量值和三相调压模块的电压输出百分比，下半部分为PID参数和输出值上下限设定窗口。同时，在图形用户界面中添加了实时曲线、历史曲线、数据报表等按钮。

图2 图形用户界面

系统运行过程中状态如图3所示。显而易见，该界面可以清晰地观察到系统的运行指标，并可在线设置控制参数。同时，学生在实验过程中可以随时点击按钮查看趋势图和数据报表，这样节省了记录实验数据的时间，大大增强了对控制系统的运行状态把握。

图3 系统运行状态

3 结语

根据PLC应用技术教学中，控制对象状态不易观察、控制参数不易调节、控制模型过于抽象等特点，将WinCC组态软件引入课堂，使PLC教学更加形象直观。学生通过操作和观察图形化的用户界面加强了对教材知识的感性认识，增强了学习的主动性和积极性。同时，生动的学习内容加强了学习的趣味性，使学生更加熟悉和热爱PLC的开发与应用，为今后走上工作岗位打下坚实基础。