基于西门子PLC虚拟仿真实验系统的设计

周美兰，张宇，吴晓刚，于德亮，王兆天

基于西门子PLC虚拟仿真实验系统的设计

周美兰，张宇，吴晓刚，于德亮，王兆天

（哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

针对传统的PLC控制实验中实验设备质量大、价格高、占地面积大和维护困难等缺点，提出了一种PLC与组态软件相结合的设计方法．在组态软件中创建虚拟模型作为被控对象，代替实际被控设备，采用虚拟的被控对象即可检验PLC控制程序的正确与否．采用西门子S7-200 PLC与力控V7.0组态软件相结合的方法搭建虚拟仿真实验系统，为PLC的实验教学提供了有利补充．以5层电梯为例，给出了PLC控制虚拟仿真实验系统的开发过程，并对该系统进行了整体测试，证明了所研制实验系统的有效性和可靠性．

S7-200 PLC；组态软件；虚拟仿真实验系统；5层电梯

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是以微处理器为基础，集自动化、电子技术、计算机技术为一体的工业自动化控制器，广泛应用于工业生产中．PLC自问世以来，得到了广泛的应用和研究，由于其在自动控制系统中的突出作用，使得它成为电气工程专业学生必修的一门课程[1]．但是由于所需的被控对象体积较大、费用昂贵、维护困难，造成一些PLC实验课难以开设，不能达到良好的实验效果，对PLC教学产生不利的影响[2-3]．鉴于此弊端，本文采用PLC与组态软件相结合的研究方法，进行虚拟仿真实验系统的搭建．组态软件专门用于数据采集、显示与过程控制，是自动控制系统监控层的软件开发平台，具有多种硬件设备的驱动程序，能实现复杂的被控对象动作画面．组态软件可以与PLC进行通信，接受PLC发出的控制信号，同时也将命令信号发送给PLC[4-5]．在组态软件中建立虚拟仿真模型代替真实设备，控制方便，在实验室即可虚拟仿真多种工业现场的控制实验，验证PLC程序的正确性，缩短研发周期．

将组态软件应用于PLC控制的实训教学中，可以节省实验成本，丰富实验内容，增强学生的学习兴趣[6]．

1　仿真实验系统的组成与开发路径

虚拟仿真实验系统分为上位机与下位机2部分，安装有组态软件的计算机作为上位机，也称为监控管理层，下位机选用西门子S7-200可编程逻辑器．PLC与组态软件之间通过RS232/485通信转换器进行数据交换，组态软件接受PLC向其发出的控制信号，包括开关信号、脉冲信号和数值信号等．PLC也会接收来自组态软件发出的信号[7]．

组态软件选用Force Control V7.0力控组态软件，该软件主要包括工程管理器、开发系统、实时数据库DB、I/O驱动程序和各种网络服务组件等，软件具有良好的人机界面，图库丰富，操作简单[8]167-170．PLC编程软件选用STEP7-Micro/WIN软件，该软件是由西门子公司专门为S7-200系列PLC研发的软件，编程语言简单，操作方便[9]．仿真实验系统的整体结构见图1，PLC组态虚拟仿真实验系统开发路径流程见图2．

图1 仿真实验系统的整体结构

图2 PLC组态虚拟仿真实验系统开发路径流程

2 5层电梯虚拟仿真实验系统设计

以5层电梯实验为例，对虚拟仿真实验系统的组成结构和建立过程进行说明，最后对整体系统进行实验调试．先在组态软件中建立被控对象虚拟电梯模型，在PLC编程软件中编写控制程序，之后将编写好的程序下载到PLC中，利用RS232/485实现组态软件和PLC的通信，组态软件可以监控PLC的存储状态和I/O接口的状态，通过组态软件中动态画面的效果来验证PLC控制程序的正确性[10]．

2.1 基本功能及设计要求

2.1.1 仿真电梯基本功能 5层电梯内部有开门、关门按钮，楼层显示器，5个楼层内呼叫按钮和内呼叫指示灯；电梯外部每层都有外部呼叫按钮（1层只有上呼叫按钮，5层只有下呼叫按钮）、呼叫指示灯和显示器．呼叫按钮用于对乘客呼梯信号进行登记，按下呼叫按钮，对应指示灯亮起，呼叫信号被登记，在电梯运行到目标层之后，呼叫指示灯熄灭，登记信号消除．楼层显示器用于显示电梯所处楼层位置和上升、下降状态，使乘客清楚地知道电梯目前所处的位置和运行方向[11]．

2.1.2 仿真电梯设计要求 为了便于分析，假设初始状态电梯处于1层待命，各层呼叫灯均不亮，具体设计要求：

（1）按下内、外呼叫按钮，对应指示灯亮起，直到响应该呼叫后，指示灯熄灭，且电梯在运行过程中支持其它呼叫．

（2）当有外呼叫信号时，如果电梯处于该层，则相当于开门信号，电梯自动开门；如果电梯不在外呼叫信号层，则电梯运动到该层，停层稳定后自动开门；对于内呼叫信号，电梯运动到目标层，停层后自动开门．

（3）电梯在自动开关门过程中，支持手动开关门，电梯运行期间开门信号失去作用，不能开门．

（4）电梯运行到某一楼层，该楼层行程开关触发，对应的楼层指示灯亮起，直到运行到上一层或下一层，指示灯改变显示．

（5）电梯按照不换向的原则优先响应不改变电梯运行方向的呼叫，如果电梯处于上升状态，响应电梯当前层与目标层之间所有楼层的内呼叫和外部上呼叫信号．例如：电梯内部5楼呼叫按钮按下，电梯由1层向5层运行，此时，3层外部有人按下呼叫按钮，4层外部有人按上呼叫按钮，则电梯响应4层外部上呼叫，直到响应完内部5层呼叫后，反向运行响应3层外部下呼叫信号．

2.2 5层电梯组态虚拟仿真界面的制作

在力控组态软件中建立5层电梯虚拟模型，作为PLC的控制对象．根据来自PLC的控制信号，上位机显示器中的电梯模型画面做出相应动作，验证PLC程序的准确性．创建工程的一般过程：制作画面、选定设备、定义变量和进行动画连接[8]202-205．在模型画面的制作过程中，除了利用组态软件中图库的图片，还可以查找相关资料，选择合适的图片，对图片进行修理，通过插入位图的方式，将图片导入到开发界面中，使模型更加形象逼真，符合工程实际．此外，力控组态软件中也需要进行脚本程序的编写，脚本程序用来控制仿真界面中图片的动作效果[5]129，例如：电梯门移动的距离，电梯轿厢上升的高度，指示灯的亮灭和楼层背景图片的显示和隐藏等，部分脚本程序见图3．

图3 组态软件中部分脚本程序

2.3 PLC控制程序设计

PLC控制程序是整个虚拟仿真系统的核心部分，5层电梯PLC控制程序由6个部分组成，分别是：上下行判断、开关门、楼层位置信号检测、内呼叫、外呼叫、停层．本文采用梯形图进行编程，主程序见图4．其中内呼叫和外呼叫子程序用于登记乘客的呼梯信号；楼层位置信号检测子程序用于确定电梯当前所处的楼层位置；上下行判断子程序用于确定电梯的运行方向．定向后电梯开始运行，到达目标层后电梯停层，自动开门，延时一段时间自动关门．

由于文章篇幅所限，只列出了1～5层行程开关变量I/O分配表（见表1）．对应的楼层位置信号检测子程序见图5．

表1 5层电梯行程开关变量I/O分配

图4 5层电梯PLC主程序

图5 楼层位置信号检测子程序

2.4 虚拟仿真实验系统综合测试

将所编制的梯形图程序下载到PLC中，打开组态软件工程界面点击运行，组态软件虚拟仿真运行界面见图6．经过对5层电梯虚拟仿真实验系统反复综合测试，电梯能够根据乘客输入的指令和PLC的控制程序，执行上升、下降和开关门等相关动作，动作准确无误，电梯仿真模型形象逼真，能够很好验证PLC程序的准确性，达到了PLC控制实验的预期效果．

图6 5层电梯PLC控制虚拟仿真运行界面

3 结语

将组态软件应用于PLC的实验教学中，可以减少设备的购置，降低实验教学成本．由于组态软件中拥有丰富的图片资源，包含大部分工业现场设备图片，可以在虚拟的环境下，建立虚拟仿真模型代替真实被控设备，进行PLC控制系统的开发，大大缩短了开发周期，为控制系统应用于工程实际提供参考和科学依据．除了本文中的5层电梯实验之外，PLC与组态软件相结合的方法还可应用于交通指挥灯、自动售货机、机械手臂等多个虚拟仿真实验系统中，这为PLC的实验教学提供了一种新途径，并为线上或线上线下相结合的实践教学模式打下了坚实基础．

[1] 李跃鹏，胡上国，雷霖．自动化专业PLC控制技术课程设计实例[J]．实验技术与管理，2021，38（2）：190-195．

[2] 孙君，朱健，戴礼兴．基于虚拟仿真实验教学项目的工程实践[J]．教育教学论坛，2020（14）：219-220．

[3] 李继芳，许英杰，鲍平，等．虚拟仿真被控对象在PLC实践教学中的应用研究[J]．实验技术与管理，2017，34（6）：114-118．

[4] 王超．运用组态软件改革 PLC 实验教学[J]．高师理科学刊，2015，35（10）：84-88．

[5] 刘力．组态软件在PLC实验系统中的应用[J]．实验室研究与探索，2014，33（4）：128-129．

[6] 赵洋，胡亚伟．基于工业软件的“PLC原理及应用”线上实验教学实践[J]．实验技术与管理，2021，38（1）：175-178， 183．

[7] 柏正祥．西门子S7-300 PLC与WinCC6.0组态技术在输煤自动控制系统中的应用[J]．电气应用，2013，32（7）：64-66．

[8] 周美兰，周封，徐永明．PLC电气控制与组态设计[M]．3版．北京：科学出版社，2016．

[9] 王桂芳，程上方，刘齐寿，等．基于 S7-200 PLC 的过程控制实验平台开发[J]．实验技术与管理，2019，36（1）：78-82， 86．

[10] 汤伟，窦晨超，冯晓会．基于西门子 S7-300 PLC 的过程控制实验平台设计[J]．实验室研究与探索，2018，37（4）： 49-52，58．

[11] 王宏，王子成，崔光照．基于组态软件的 PLC 电梯控制和仿真研究[J]．制造业自动化，2013，31（1）：109-112．

Design of virtual simulation experiment system based on Siemens PLC

ZHOU Meilan，ZHANG Yu，WU Xiaogang，YU Deliang，WANG Zhaotian

（School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

In view of the shortcomings of traditional PLC control experiment，such as high quality，high price，large floor area and difficult maintenance，puts forward a design method of the combination of PLC and configuration software．The virtual model is created in the configuration software as the controlled object to replace the actual controlled equipment．The correctness of PLC control program can be verified by using virtual controlled object．It is adopts of Siemens S7-200 PLC and Force Control V7.0 configuration software to build a virtual simulation experiment system，which provides a favorable supplement for PLC experiment teaching．Taking the 5-storey elevator as an example，the development process of PLC control virtual simulation experimental system is given，and the overall test of the system is carried out to prove the effectiveness and reliability of the developed experimental system．

S7-200 PLC；configuration software；virtual simulation experiment system；5-storey elevator

1007-9831（2022）05-0090-05

TP273∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.05.017

2021-12-29

黑龙江省高等教育教学改革项目（SJGY20200298，SJGY20190271）

周美兰（1962-），女，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，从事新能源汽车电驱动系统控制技术研究．E-mail：zhoumeilan001@163.com