物料混合PLC控制系统综合实验案例设计

张宏伟，荆鹏辉，王新环

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

0 引言

可编程逻辑控制器(PLC)是一种应用十分广泛的微机控制装置，是电气控制系统的关键设备[1-2]。《现代电气控制技术与PLC》课程内容集传统的继电控制技术、PLC控制、工业网络与组态监控技术为一体，课程知识多、覆盖面广，注重培养学生电气绘图、电气控制系统软硬件设计与安装调试等方面的综合能力，实践性和综合性较强[3-5]。

目前PLC实验装备体积大、价格高、实验项目单一，无法满足多样化的教学需求。随着高等学校的扩招，学生人数逐渐增加，而现有的实验装备数量不足，实验效率低且效果差。同时由于学生缺少工程应用背景，难以很好地掌握现代电气控制系统设计方法，无法解决工程中的实际问题[3-6]。针对传统PLC实验装置及教学方法存在的问题，很多研究人员从不同角度进行分析，并提出相应改革方案。

文献[5]-[10]探讨了虚拟仿真技术在PLC教学中的应用，其中文献[5]、[6]利用组态软件、PLC编程软件构建PLC虚拟仿真平台，但没有实现组态软件与PLC的虚拟通信；文献[7]基于VRML开发PLC虚拟仿真实训平台，采用B/S架构，客户端使用ActiveX完成3D虚拟现实场景渲染；文献[8]采用3Ds Max建立水泵、压力传感器、水池等三维模型，利用Unity 3D开发恒压供水上位机虚拟仿真软件，构建PLC虚拟仿真平台。这两种方法为纯虚拟仿真，脱离了PLC及组态监控开发环境。文献[11]-[15]对PLC课程案例教学法进行研究，文献[13]运用典型的工程项目材料，将学生带入整个项目的开发过程中，指导学生进行自主探究性学习；文献[14]、[15]结合产业特点设计工程案例，开展PLC案例教学改革。然而相关文献中的PLC案例教学仍需要实验平台，成本高，设备较为复杂。

为满足高素质应用型人才培养目标的要求，本文针对PLC教学中存在的问题，对PLC实验教学模式进行改革，提出利用组态软件、PLC编程软件、仿真软件以及虚拟通信技术构建PLC 虚拟仿真实验教学平台的方法，同时以工业控制领域典型的物料混合系统为对象，设计物料混合PLC控制系统综合实验案例，探究案例教学方法，注重培养学生系统性思维，全方面锻炼学生的PLC综合应用能力。

1 PLC课程工程案例教学方法实施

1.1 案例教学流程

《现代电气控制技术与PLC》课程工程案例教学法根据教学目的与要求，结合学生认知规律，运用典型的工程项目，设计一个综合实验案例[7-8]。让学生参与到整个案例的设计开发过程中，并采取有效措施指导学生进行自主探究性学习，让学生能够最大限度地开阔视野，活跃思维。

案例教学流程如图1所示。案例教学中，教师需要引导和启发学生积极思考，在课程上共同讨论，并进行自主设计，有效锻炼了学生对于电气控制技术的综合应用能力。

1.2 案例选择及要求

案例选题需要来源于工程实际，并注重综合性。物料混合控制系统在工业领域应用广泛，本文针对物料混合系统，设计一个虚拟仿真综合实验项目，模拟工业物料混合过程。项目要求学生针对物料混合生产工艺，完成设备选型、电气控制线路设计、 PLC控制程序编写以及上位机监控软件设计，并进行仿真调试。该案例可以锻炼学生电气绘图、PLC程序设计、组态监控软件设计，以及系统仿真与调试能力，较为全面地培养了学生动手能力及分析、解决问题的能力。

图1 案例教学流程

2 PLC虚拟仿真实验平台构建

为了方便实验课程案例教学实施，本文利用组态软件模拟PLC 控制对象，结合PLC仿真软件，构建一个PLC虚拟仿真实验教学系统。PLC虚拟仿真平台结构如图2所示，由STEP编程软件、PLCSIM仿真软件、组态王监控软件与网络接口软件NetToPLCsim组成。

图2 PLC控制系统虚拟仿真实验平台架构

利用组态软件建立被控对象模型，以动画、曲线、图表等方式在线模拟实际工业生产过程。利用STEP编程软件及PLCSIM软件，可以不依赖于硬件PLC，通过仿真方法模拟CPU进行程序下载、测试，以降低实验成本，提高学生学习兴趣。利用NetToPLCsim网络接口软件，将本机网卡的IP地址102端口映射到PLCSIM，实现PLCSIM 与SCADA 的网络通信[16]。

3 PLC控制系统虚拟仿真实验案例设计

3.1 物料混合系统工艺流程及控制要求

设计一个物料混合控制系统，实现A、B两种液体原料按比例混合，工艺原理如图3所示。

(1)工艺原理：① 液位由液位传感器/变送器进行检测，量程0～2m，输出信号为4～20mA电流信号；进料阀1、进料阀2与排料阀为24VDC电磁阀，搅拌器为15kW三相异步电机；② 按下“启动”按钮后系统自动运行，首先打开“进料阀1”，加入物料A，液位达到物料A设定值后，关闭“进料阀1”，打开“进料阀2”，加入物料B；③ 液位达到物料B设定值后，关闭“进料阀2”，启动“搅拌器”进行物料混合；④ 搅拌10s后，关闭“搅拌器”，开启“排料阀”;⑤ 液位低于设定值时，延时5s后关闭“排料阀”；⑥ 按下“停止”按钮，系统立即停止运行。

图3 物料混合工艺原理

(2)控制要求。基本要求为：根据上述工艺设计PLC接口电路，编写PLC控制程序，设计上位机监控软件，并进行仿真调试。扩展要求为：① 物料比例、搅拌时间均可通过上位机设定；② 监控软件具有实时曲线、数据报表功能；③ 设置液位报警功能；④ 具备手动功能，可单独控制各个电气设备。

3.2 案例教学实施流程

实验案例教学实施流程如图4所示。首先，教师讲解案例内容及注意事项，确定控制要求，布置设计任务；然后，学生设计方案，经教师审核后，进入仿真调试阶段。整个案例教学过程由学生独立完成，教师全程指导，实现以教师为主体到以学生为主体的转变，给学生提供更多自主学习的机会；案例设计完成后，指导教师根据设计结果对案例进行验收，对于不符合要求的需要重新设计。

4 物料混合控制系统虚拟仿真案例实现

4.1 硬件组态

PLC 的CPU选择315-2PN/DP ，该款CPU集成了一个以太网接口和一个DP接口，方便与组态王软件组成通信网络。利用STEP编程软件创建S7项目，在“FC与FB”项目内打开“SIMATIC 300 Station”文件夹，并打开硬件配置窗口，硬件组态界面如图5所示。

设置CPU的Ethernet接口属性，输入IP地址、子网掩码，建立一个子网。IP地址设置为192.168.1.2，子网掩码设置为255.255.255.0。

4.2 PLC控制程序设计

PLC程序设计采用结构化编程。将复杂的自动化任务分割成可反映过程技术功能或可多次处理的小任务，能够更易于控制复杂任务。OB1为主循环组织块；OB100为启动组织块，FC1实现搅拌控制；FC2实现放料控制；FB1通过调用DB1和DB2，实现液料A和液料B的进料控制，DB1与DB2为液料A与液料B进料控制的背景数据块，在调用FB1时为FB1提供实际参数，并保存过程结果。PLC程序结构如图6所示。

图4 物料混合控制系统设计与仿真实验流程

图5 硬件组态界面

图6 PLC程序结构

4.3 组态王监控系统设计

上位机以组态软件为开发平台，使用组态王实现物料混合模型仿真运行基本步骤为：图形界面设计→定义IO设备→构造数据库→建立动画连接→运行与调试。

(1)监控画面设计。利用组态软件设计图形界面，如图7所示。

(2)定义IO设备。选择组态王 “设备COM1”运行“设备配置向导”，定义IO设备。设备驱动选择 “设备驱动→PLC→西门子→S7-300(TCP)”的“TCP”项，为要安装的设备指定地址。组态王与S7-300 PLC TCP网络通信地址、通讯参数定义与设备地址格式如下：

PLC的IP地址:CPU机架号:CPU槽号XXX.XXX.XXX.XXX:Y:Z

其中，[XXX]取值范围为 0～255，[Y]取值范围为0～21，[Z]取值范围为0～18。

图7 物料混合系统图形界面

(3)数据库构造。在组态王画面开发系统中定义数据库变量，定义时要指定变量名和变量类型。本系统建立的变量如表1所示。

表1 数据词典变量

(4)动画连接。将画面图形对象与数据库数据变量之间建立连接，当变量值改变时，在画面上以图形对象的动画形式表现出来。

(5)仿真调试。组态王工程建立完成后，进入运行与调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件切换到 View”菜单命令，进入组态王运行系统，显示组态王运行系统画面。

5 结语

(1)将虚拟仿真技术应用于《现代电气控制技术与PLC》实验教学，其无需实际物理控制对象，灵活性强，适合设计研究型实验开发，且方便学生课外学习。

(2)以物料混合系统为对象，设计一个PLC虚拟仿真实验教学案例并进行实验教学研究，教学案例来源于工程实际，容易引起学生学习兴趣，从而达到良好的教学效果。

(3)案例教学注重启发学生思考，教师在教学过程中不再是“唱独角戏”，而是引导学生积极思考、共同讨论并进行自主设计，有效锻炼了学生对于电气控制技术的综合应用能力与分析解决问题的能力。