WinCC flexible 在PLC教學中的應用

孫 靜

(黎明職業大學 機電工程學，福建 泉州 362000)

可編程控制器(PLC)是一種以計算機為核心的通用新型工業自動化裝置，具有結構簡單，性能優越，可靠性高等優點，被譽為現代工業生產自動化的三大支柱之一.因此，它成為機電類相關專業的一門專業技術課程.學習本課程，并能將其應用于生產實踐，對學生將來就業具有重要意義.該課程具有綜合性、多變性、實踐性和實用性等特點，這就要求教師在教學中要采用“教——學——做”一體化的方式教學[1]，注重對學生綜合能力和實踐能力的培養，從而進一步提高課程的教學質量和教學效果.

1 PLC傳統教學模式中存在的問題

PLC作為機電類學生的專業必修課，在教學過程中，既有理論知識學習.又有實踐內容講解，既有編程方法介紹，又有實用案例分析，因此，教師在教學過程中應努力做到因材施教，充分調動廣大學生的學習積極性，提高教學質量.而調查發現，因為師資、實訓條件、實驗設備不足等原因，很多教授PLC課程的教師在授課過程中常采用填鴨式的教學模式，學生學習積極性不高，課程教學效果不明顯.學生畢業后動手能力較差，與市場的需求不相適應.所以，本著要淡化理論教學，強化實踐教學的原則，我校將教室與實訓室合二為一，形成仿真的工作場所，使教學過程變為生產過程，學習任務變為工作任務，使學生在實驗學習過程中體驗工作過程.

傳統的PLC實驗教學是通過使用學校購買的PLC試驗箱來進行模擬實驗.學生根據系統控制要求編寫梯形圖并輸入到PLC中,然后進行硬件接線, 在實驗箱的相關模擬區域上觀察最后輸出的運行結果.由于實驗采用模塊化設計，所有的被控對象均用發光二極管顯示[2].學生只能通過PLC輸入、輸出端口指示燈的亮滅來了解對應端口的通斷狀態，如圖1所示.這種方法無法形象地顯示PLC輸入和輸出點的狀況，使得學生在程序運行調試過程中常常搞不清楚PLC實際的運行狀態.對于電梯、洗衣機這些比較復雜的控制系統而言，因為缺少相應的硬件設備，只通過對應指示燈的情況來模擬系統運行，演示效果并不直觀，學生很難理解整個控制過程，因而缺乏學習積極性，無法達到理想的教學效果.

圖1 PLC運行效果圖

為了解決以上問題，我們在PLC教學中引入了WinCC flexible仿真軟件.通過使用WinCC flexible仿真軟件，學生可以組態控制系統的畫面，用動畫的形式模擬實際控制對象的工作過程，演示效果形象生動，加深了學生對工業控制過程的感性認識，大大激發了學生的學習熱情，有效提高了學生的動手能力，豐富了實驗教學的教學內容.且軟件成本低廉，無需維護，解決了實驗室設備使用不足的問題.

2 WinCC flexible軟件簡介

WinCC flexible是德國西門子公司生產的一款面向機器和過程的自動化概念的HMI 軟件，適用于各種人機界面應用的組態，能將機器和設備整合在一起，便于工廠和機械工程中機器操作員進行控制和自動化過程監測，使工廠更加透明和高效.它以機器和過程為向導，可嵌入面板于PC中，支持多種語言，全球通用.同時，它具有通用的應用程序，可集成到各種自動化解決方案中，適用于所有工業和技術領域.

3 WinCC flexible在PLC實踐教學中的應用實例

利用WinCC flexible 組態軟件仿真可編程控制器的控制對象，即先通過PLC編程軟件編寫相應的控制系統程序，然后采用WinCC flexible，根據實際控制系統控制要求組態控制系統的運行畫面.畫面組態完畢后，利用變量編輯器創建PLC外部連接變量，將組態畫面中各對象地址和PLC地址一一對應，并將PLC程序和設計的組態畫面進行通訊連接，這樣就可以在計算機屏幕上模擬運行控制系統的運行過程并觀測結果.在教學過程中，學生可將計算機仿真程序看作是被控對象，通過上位機組態軟件實現對PLC的實時控制.同時，控制結果又可以在計算機屏幕上以仿真動畫形式直觀明了地顯示出來，從而極大地提高了學生的學習興趣，加深學生對該控制過程的理解[3].采用WinCC flexible組態軟件可以開發多種實驗項目，下面就以十字路口交通燈為例介紹WinCC flexible在PLC實踐教學中的應用.

3.1 十字路口交通燈仿真系統控制要求

接通電源開關，當按下啟動按鈕SB1后，系統啟動.首先南北直行方向紅燈點亮并維持40秒后熄滅，熄滅后南北直行方向綠燈點亮.南北直行綠燈亮35秒后閃爍3秒熄滅，同時，此方向黃燈點亮2秒后熄滅.系統啟動同時，東西直行綠燈和東西左轉綠燈也點亮.東西左轉綠燈維持30秒.30秒時間到，東西左轉綠燈閃爍，閃爍3秒后熄滅，同時，東西左轉黃燈亮，并維持2秒后，東西左轉紅燈亮，維持45秒后熄滅，東西左轉綠燈再次點亮，周而復始.東西直行綠燈點亮方式與南北直行綠燈方式相同.系統運行一個周期時間為80秒.東西南北右轉燈在系統運行過程中始終為綠燈點亮，即右轉方向始終可以通行.東西方向和南北方向運行狀態相同.系統運行過程中，南北綠燈和東西綠燈不能同時亮.當按下停止按鈕，則所有燈熄滅.

3.2 PLC I/O分配表及外接線圖

根據上述控制要求，本系統共需要2點輸入，13點輸出.因此，我們選用的PC主機為24點輸入，16點輸出的SIMATIC S7-200 CPU226.其I/O分配表如表1所示，PLC外接線圖如圖2所示.

表1 I/O分配表

圖2 PLC外接線圖

3.3 PLC程序設計

這里采用順序功能圖的程序設計方法，首先繪制出整個交通燈系統的順序功能圖，然后根據順序功能圖，采用西門子STEP7編程軟件編寫系統PLC程序[4]，并將編寫好的程序下載到可編程控制器中運行調試.因為仿真平臺的輸入變量SB1、SB2要用組態軟件的圖形按鈕來表示，因此，這兩個輸入變量用中間變量來表示.這里用M2.0、M2.1分別代表啟動和停止按鈕.

3.4 組態仿真畫面的設計

根據交通燈的控制要求，利用WinCC flexible組態軟件對系統進行組態畫面編輯，并使用TP 177B color PN/DP觸摸屏實現交通燈的模擬操作.圖3即為交通燈控制系統組態仿真畫面.畫面中設置了啟動和停止兩個控制按鈕，并設置了東南西北四個方向的交通指示燈.以朝北方向為例，在道路中間設置了兩組紅黃綠燈，這兩組燈分別表示直行方向和左轉方向的指示燈.轉角處有一個綠燈，表示右轉方向始終為綠燈通行狀態.進行畫面動畫連接和設置時，應該將每個圖形對象與PLC中的輸入、輸出變量一一對應，當PLC程序中的變量狀態發生改變時，畫面的動畫效果也隨之改變.

圖3 交通燈組態畫面

3.5 控制系統運行調試

組態畫面設置完畢后，將PLC和觸摸屏進行通訊連接，PLC采用通訊端口0，PLC和觸摸屏的波特率均設置為9600.通訊成功后，就可以使用觸摸屏對交通燈進行模擬運行操作.當按下畫面中的啟動按鈕時，南北直行方向的紅燈、東西直行方向的綠燈、南北方向左轉紅燈、東西方向左轉綠燈及四個轉角處代表右轉的綠燈均為點亮狀態.運行30秒后，東西左轉綠燈閃爍，閃爍3秒后熄滅，并點亮東西左轉黃燈，黃燈亮2秒后東西左轉紅燈亮.其他方向燈也按要求運行.按下停止按鈕后，所有燈均熄滅.

4 結論

在PLC教學實踐中，借助WinCC flexible組態軟件設計控制系統仿真畫面，建立PLC實踐教學仿真模型，模擬系統運行的動畫效果，就可以將自動化控制現場帶入課堂[5]，既解決了PLC傳統教學中使用輸入、輸出指示燈的亮滅代替各種運行狀態的抽象性，又有效地激發了學生學習本課程的熱情和積極性，提高了學生實踐操作能力，使教學內容更加生動豐富，達到了“教——學——做”一體化的教學目的.

參考文獻：

[1]曾喜娟.基于WinCC flexible組態軟件的仿真模型在教學實踐中的設計與實現[J].甘肅聯合大學學報(自然科學版),2012,26(6):73-75.

[2]張學軍,劉海波,回文靜.組態技術在PLC實驗中的應用[J].河北工程技術高等專科學校學報,2010(4):36-38.

[3]史博.組態仿真軟件在高職PLC課程教學中的應用[J].遼寧高職學報,2010(6):33-34.

[4]陳永利,趙小霞.MCGS組態軟件在PLC教學中的應用[J].濟源職業技術學院學報,2011(4):24-26.

[5]王惠莉.基于MCGS的仿真教學系統在PLC教學中的應用[J].實驗技術與管理,2010(11):274-275.