組態軟件WinCC與S7_PLCSIM在汽車專業教學中的應用

王文樂，李鵬杰，劉文東，嚴陳

（江蘇食品藥品職業技術學院機電工程系，江蘇淮安223005）

組態軟件WinCC與S7_PLCSIM在汽車專業教學中的應用

王文樂，李鵬杰，劉文東，嚴陳

（江蘇食品藥品職業技術學院機電工程系，江蘇淮安223005）

針對汽車專業模塊化教學過程中缺少能夠將汽車運行過程中各大組成系統之間相互獨立的運動聯系起來的一種有效的教學工具的問題，結合PLC在過程控制中的作用，借助西門子S7_PLCSIM仿真軟件編制PLC控制程序，并通過WinCC組態軟件進行界面設計，開發了一套仿真輔助教學軟件工具。應用結果表明:利用該軟件工具輔助汽車課程的教學，能夠極大地豐富教學內容和增強教學生動性，從而取得較好的教學效果。

汽車教學；模塊化；PLC控制；組態軟件；仿真

0　引言

隨著汽車工業和汽車消費市場的迅速成長，我國已經成為世界第一大汽車生產國和第一大汽車消費市場，2012年全國汽車產銷量都超過1900萬輛，連續3年蟬聯世界第一，再次創造了新的汽車產銷量世界紀錄。隨著社會汽車保有量的快速上升，市場對于汽車后市場服務人才的需要也愈發強烈［1］。同樣，針對當前汽車行業的迅速發展，汽車教學如何能夠跟上時代的步伐，努力提高教學實效性，以為國家培養出更多高技術、高水平的汽車后市場技術服務人才也成為當務之急［2］。為了更好地提高教學質量，改進教學效果，現階段大多高職院校在汽車專業類課程的教學過程中都采用模塊化教學模式。模塊化教學是在實際教學過程中，將教學內容按照教學對象的結構和性質進行有機劃分，分模塊循序漸進地展開的一種教學活動。以 《汽車構造》課程為例，實際教學過程中根據汽車整車的結構特點，首先將整個教學內容劃分為發動機、底盤、車身及電氣設備4個大模塊，在每一模塊下面例如發動機模塊又根據發動機 “兩大機構、五大系統”的結構組成特點劃分為7個小模塊，各個模塊之間相互獨立，相關內容有機穿插、相互滲透。模塊化教學模式再結合多種教學手段以及實驗實訓設備輔助，確實在一定程度上改進了教學效果。因此，模塊化教學方式以其獨特的優勢，在汽車類專業課程教學當中占了相當的地位［3］。

由于模塊化教學方式的 “模塊化”特點，結合汽車專業是以整車作為研究對象的特點，作者認識到即使在教學過程當中將模塊劃分得再具體、再細，最終也需要深入分析各個模塊之間的內在聯系，將之整合為一個有機的整體，并對其運動過程及各模塊之間相互配合情況進行詳細說明。結合計算機仿真模擬技術在汽車專業類教學過程中已取得的實際效果，針對汽車專業模塊化教學過程中缺少能夠將汽車運行過程中各大組成系統之間相互獨立的運動聯系起來的一種有效的教學工具的問題，借助西門子S7_PLCSIM仿真軟件編制PLC控制程序，并通過WinCC組態軟件進行界面設計，開發了一套輔助教學軟件工具。

1　仿真系統組成

仿真系統控制器采用西門子S7-200系列PLC。西門子S7-200系列PLC是小型PLC，但功能非常強大。在緊湊的封裝中集成了微處理器、集成電源、數字I/0、通信接口等部件。目前，雖然在大型的工業自動化控制過程中，已經采用了中、高性能的S7-300、S7-400系列，但由于S7-200本身所具有的功能強、價格低廉、可靠性高、使用方便等特點，仍然被廣泛應用于小型工業自動化控制及教學過程中［4］。

組態軟件采用WinCC軟件，它是SIEMENS與Microsoft公司合作開發的、開放的過程可視化系統，是SIMATIC全集成自動化系統的重要組成部分，該軟件提供了良好的人機界面，具有強大的動態仿真功能，能夠真實模擬實物的動態運行效果。同時還具有延續性和可擴充性的特點，可以不須做很多修改而方便地完成軟件的更新和升級。除了在工業控制領域外，在科研和教學領域內也有著越來越廣泛的應用［5］。

整個仿真系統采用一臺安裝了WinCC V6.0軟件與西門子編程軟件STEP7-MicroWIN V4.0 SP3的普通PC機作為上位機，利用現有的應用于PLC電氣控制課程的教學設備即西門子S7-200 PLC作為下位機，組成上位機+下位機的構成方式。上位機與下位機的通信采用PROFIBUS總線傳輸。WinCC組態軟件通過通信接口監控PLC所有存儲器及I/O接口的狀態［6］。

2　仿真系統的設計理念及實現

要提高學生的興趣，增進課堂的教學效果，關鍵在于如何利用好WinCC軟件。該仿真系統將汽車運行的整個過程看作控制對象，利用PLC對其進行控制，課堂演示時該控制過程可以在后臺進行。主要是利用WinCC組態軟件按照汽車組成的各大系統或模塊設計多個子界面仿真汽車運行過程中各大系統及模塊的工作過程、信息狀態變化，以配合模塊化教學模式下的課堂教學。除此之外還要設計一個最終能夠將各大系統或模塊整合在一起的 “整車”界面，使其能夠動態顯示汽車運行過程當中各大系統或模塊之間相互配合及協作的過程，幫助學生加深對整車運行過程中各個部件所發揮的具體作用的理解。仿真系統具體實施過程如下：

（1）在SIMTIC管理器中生成項目，編寫PLC控制程序；

（2）設置PG/PC接口，將控制程序下載到PLC；

（3）在WinCC管理器中生成項目，編輯反映汽車運行過程各個系統相互配合的監控畫面；

（4）通過組態變量的方式，建立 WinCC與 PLC的通信連接；

（5）運行整個項目，觀看控制效果［6］。

3　應用實例

下面以簡單的汽車起動機從靜止到運行過程為例來說明組態仿真軟件在汽車專業教學中的應用。

3.1控制要求分析

汽車起動機控制系統原理如圖1所示。

PLC的控制順序如下所示：

（1）要求汽車位于空擋的時候，當將汽車鑰匙插入鑰匙孔并將點火開關旋轉到起動擋位的時候，起動繼電器線圈得電；

（2）起動繼電器線圈得電后，產生磁場吸力，將起動開關觸點吸合，有電流流過起動機控制機構上的保持線圈與吸引線圈，并產生磁場力，使得可推出小齒輪的撥叉在磁場力的作用下向左運動的同時將觸點30與50接通，從而使起動機內部磁場線圈得電，起動機旋轉，帶動發動機運行；

（3）起動機運行短時間內，吸引線圈被短路，靠保持線圈電流維持起動機小齒輪驅動發動機運行；

（4）發動機正常運行后，松開汽車鑰匙，點火開關恢復到點火擋，此時，起動開關斷開，起動繼電器線路斷電，吸引，保持線圈電流相反，起動機停止工作。

3.2編寫控制程序

根據控制要求確定PLC的I/0點個數，選擇PLC機型，進行I/0點地址分配和 PLC程序設計，其程序流程圖如圖 2所示。

在STEP7中創建項目、組態硬件、設置CPU參數，并可以靈活運用梯形圖和語句表兩種語言來編寫程序代碼，如圖3所示。

程序輸入完畢后，因為是要在理論課上進行演示，所以通過PLC仿真來實現。打開PG/PC接口對話框，選用PLCSIM（MPI）接口，然后在SIMATIC管理器中下載所有程序塊到仿真PLC，在PLCSIM中創建所需監控的視圖對象。

3.3畫面設計與組態

啟動WinCC并創建一個新項目，進行通信連接與外部變量定義后，打開 “圖形編輯器”，設計汽車起動機起動過程監控畫面，如圖4所示，能夠直觀、動態、形象地顯示汽車起動機的起動與停止過程。

3.4項目運行

在完成以上操作后，在仿真 PLC窗口中，運行 PLC的CPU，然后激活WinCC項目，可以通過設置畫面中的點火開關的狀態來控制起動機的起動與停止。

4　結束語

在該仿真軟件中，利用WinCC組態軟件提供的良好的人機界面和利用S7-200作為控制器以及利用STEP7-MicroWIN V4.0 SP3軟件編寫PLC控制程序，很好地實現了對汽車整車運行過程的控制和對各大系統工作過程的動態仿真監控。教學過程中，通過該軟件的演示，學生可以直觀監控汽車整車運行過程，可以直觀地認識到汽車的每一個部件在汽車整車正常運行過程中所起到的不可忽視的作用，極大地加深了學生對教學內容的理解，提高了學生的學習興趣，從而進一步提高了教學效果。

【1】石昊昱，韋峰.計算機模擬仿真提高汽車專業教學實效性研究［J］.昆明冶金高等專科學校學報，2013，29（5）:77-81.

【2】陳迪超，余華新.PLC控制4A發動機故障試驗臺的研究［J］.汽車電器，2010（1）:42-44.

【3】贠海濤，趙玉蘭.模塊化教學在汽車類專業主干課程中的實踐探索［J］.大學教育，2014（2）:77-78.

【4】梁強.西門子PLC控制系統設計及應用［M］.北京:中國電力出版社，2011.

【5】梅奕，王慧芬.基于WinCC的電氣控制技術課程輔助教學平臺設計［J］.中國高新技術企業，2014（36）:22-23.

【6】許仙珍，單長考.組態軟件WinCC與S7-PLCSIM在PLC教學中的應用［J］.常熟理工學院學報:自然科學版，2012，26（10）: 104-107.

Application of WinCC and S7_PLCSIM in the Teaching Process of Automotive Profession

WANG Wenle，LI Pengjie，LIU Wendong，YAN Chen（Mechanical and Electronic Engineering Department，Jiangsu Food&Pharmaceutical Science College，Huaian Jiangsu 223005，China）

In the teaching process of automotive profession，an effective teaching tool is lacked which can link together all of the independent motions in the process of car running into a union.Aiming at the problem，combining with the role of PLC played in the process control，Siemens S7_PLCSIM simulation software was used to white the control program，the configuration software WinCC was used to design the interface，a set of software tools for simulation of auxiliary teaching was developed.The application results show that the use of the software tool for automobile course teaching，can greatly enrich the teaching content，enhance the classroom activities teaching，so as to achieve better teaching effect.

Automotive teaching；Modularization；PLC control；Configuration software；Simulation

2015-05-08

王文樂（1981—），女，博士，工程師，研究方向為材料、汽車。E-mail:feixue0907@163.com。