物料混合PLC控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

張宏偉，荊鵬輝，王新環(huán)

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

可編程邏輯控制器(PLC)是一種應(yīng)用十分廣泛的微機(jī)控制裝置，是電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]?！冬F(xiàn)代電氣控制技術(shù)與PLC》課程內(nèi)容集傳統(tǒng)的繼電控制技術(shù)、PLC控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與組態(tài)監(jiān)控技術(shù)為一體，課程知識(shí)多、覆蓋面廣，注重培養(yǎng)學(xué)生電氣繪圖、電氣控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與安裝調(diào)試等方面的綜合能力，實(shí)踐性和綜合性較強(qiáng)[3-5]。

目前PLC實(shí)驗(yàn)裝備體積大、價(jià)格高、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一，無(wú)法滿(mǎn)足多樣化的教學(xué)需求。隨著高等學(xué)校的擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)逐漸增加，而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝備數(shù)量不足，實(shí)驗(yàn)效率低且效果差。同時(shí)由于學(xué)生缺少工程應(yīng)用背景，難以很好地掌握現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，無(wú)法解決工程中的實(shí)際問(wèn)題[3-6]。針對(duì)傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)裝置及教學(xué)方法存在的問(wèn)題，很多研究人員從不同角度進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)改革方案。

文獻(xiàn)[5]-[10]探討了虛擬仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用，其中文獻(xiàn)[5]、[6]利用組態(tài)軟件、PLC編程軟件構(gòu)建PLC虛擬仿真平臺(tái)，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件與PLC的虛擬通信；文獻(xiàn)[7]基于VRML開(kāi)發(fā)PLC虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，采用B/S架構(gòu)，客戶(hù)端使用ActiveX完成3D虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景渲染；文獻(xiàn)[8]采用3Ds Max建立水泵、壓力傳感器、水池等三維模型，利用Unity 3D開(kāi)發(fā)恒壓供水上位機(jī)虛擬仿真軟件，構(gòu)建PLC虛擬仿真平臺(tái)。這兩種方法為純虛擬仿真，脫離了PLC及組態(tài)監(jiān)控開(kāi)發(fā)環(huán)境。文獻(xiàn)[11]-[15]對(duì)PLC課程案例教學(xué)法進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[13]運(yùn)用典型的工程項(xiàng)目材料，將學(xué)生帶入整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究性學(xué)習(xí)；文獻(xiàn)[14]、[15]結(jié)合產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)工程案例，開(kāi)展PLC案例教學(xué)改革。然而相關(guān)文獻(xiàn)中的PLC案例教學(xué)仍需要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成本高，設(shè)備較為復(fù)雜。

為滿(mǎn)足高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，本文針對(duì)PLC教學(xué)中存在的問(wèn)題，對(duì)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，提出利用組態(tài)軟件、PLC編程軟件、仿真軟件以及虛擬通信技術(shù)構(gòu)建PLC 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的方法，同時(shí)以工業(yè)控制領(lǐng)域典型的物料混合系統(tǒng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)物料混合PLC控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)案例，探究案例教學(xué)方法，注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性思維，全方面鍛煉學(xué)生的PLC綜合應(yīng)用能力。

1 PLC課程工程案例教學(xué)方法實(shí)施

1.1 案例教學(xué)流程

《現(xiàn)代電氣控制技術(shù)與PLC》課程工程案例教學(xué)法根據(jù)教學(xué)目的與要求，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，運(yùn)用典型的工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)案例[7-8]。讓學(xué)生參與到整個(gè)案例的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，并采取有效措施指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠最大限度地開(kāi)闊視野，活躍思維。

案例教學(xué)流程如圖1所示。案例教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生積極思考，在課程上共同討論，并進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，有效鍛煉了學(xué)生對(duì)于電氣控制技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。

1.2 案例選擇及要求

案例選題需要來(lái)源于工程實(shí)際，并注重綜合性。物料混合控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文針對(duì)物料混合系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，模擬工業(yè)物料混合過(guò)程。項(xiàng)目要求學(xué)生針對(duì)物料混合生產(chǎn)工藝，完成設(shè)備選型、電氣控制線(xiàn)路設(shè)計(jì)、 PLC控制程序編寫(xiě)以及上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真調(diào)試。該案例可以鍛煉學(xué)生電氣繪圖、PLC程序設(shè)計(jì)、組態(tài)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)仿真與調(diào)試能力，較為全面地培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力及分析、解決問(wèn)題的能力。

圖1 案例教學(xué)流程

2 PLC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

為了方便實(shí)驗(yàn)課程案例教學(xué)實(shí)施，本文利用組態(tài)軟件模擬PLC 控制對(duì)象，結(jié)合PLC仿真軟件，構(gòu)建一個(gè)PLC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。PLC虛擬仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由STEP編程軟件、PLCSIM仿真軟件、組態(tài)王監(jiān)控軟件與網(wǎng)絡(luò)接口軟件NetToPLCsim組成。

圖2 PLC控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

利用組態(tài)軟件建立被控對(duì)象模型，以動(dòng)畫(huà)、曲線(xiàn)、圖表等方式在線(xiàn)模擬實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。利用STEP編程軟件及PLCSIM軟件，可以不依賴(lài)于硬件PLC，通過(guò)仿真方法模擬CPU進(jìn)行程序下載、測(cè)試，以降低實(shí)驗(yàn)成本，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。利用NetToPLCsim網(wǎng)絡(luò)接口軟件，將本機(jī)網(wǎng)卡的IP地址102端口映射到PLCSIM，實(shí)現(xiàn)PLCSIM 與SCADA 的網(wǎng)絡(luò)通信[16]。

3 PLC控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

3.1 物料混合系統(tǒng)工藝流程及控制要求

設(shè)計(jì)一個(gè)物料混合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)A、B兩種液體原料按比例混合，工藝原理如圖3所示。

(1)工藝原理：① 液位由液位傳感器/變送器進(jìn)行檢測(cè)，量程0～2m，輸出信號(hào)為4～20mA電流信號(hào)；進(jìn)料閥1、進(jìn)料閥2與排料閥為24VDC電磁閥，攪拌器為15kW三相異步電機(jī)；② 按下“啟動(dòng)”按鈕后系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，首先打開(kāi)“進(jìn)料閥1”，加入物料A，液位達(dá)到物料A設(shè)定值后，關(guān)閉“進(jìn)料閥1”，打開(kāi)“進(jìn)料閥2”，加入物料B；③ 液位達(dá)到物料B設(shè)定值后，關(guān)閉“進(jìn)料閥2”，啟動(dòng)“攪拌器”進(jìn)行物料混合；④ 攪拌10s后，關(guān)閉“攪拌器”，開(kāi)啟“排料閥”;⑤ 液位低于設(shè)定值時(shí)，延時(shí)5s后關(guān)閉“排料閥”；⑥ 按下“停止”按鈕，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。

圖3 物料混合工藝原理

(2)控制要求。基本要求為：根據(jù)上述工藝設(shè)計(jì)PLC接口電路，編寫(xiě)PLC控制程序，設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控軟件，并進(jìn)行仿真調(diào)試。擴(kuò)展要求為：① 物料比例、攪拌時(shí)間均可通過(guò)上位機(jī)設(shè)定；② 監(jiān)控軟件具有實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、數(shù)據(jù)報(bào)表功能；③ 設(shè)置液位報(bào)警功能；④ 具備手動(dòng)功能，可單獨(dú)控制各個(gè)電氣設(shè)備。

3.2 案例教學(xué)實(shí)施流程

實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)實(shí)施流程如圖4所示。首先，教師講解案例內(nèi)容及注意事項(xiàng)，確定控制要求，布置設(shè)計(jì)任務(wù)；然后，學(xué)生設(shè)計(jì)方案，經(jīng)教師審核后，進(jìn)入仿真調(diào)試階段。整個(gè)案例教學(xué)過(guò)程由學(xué)生獨(dú)立完成，教師全程指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)以教師為主體到以學(xué)生為主體的轉(zhuǎn)變，給學(xué)生提供更多自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)；案例設(shè)計(jì)完成后，指導(dǎo)教師根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)案例進(jìn)行驗(yàn)收，對(duì)于不符合要求的需要重新設(shè)計(jì)。

4 物料混合控制系統(tǒng)虛擬仿真案例實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件組態(tài)

PLC 的CPU選擇315-2PN/DP ，該款CPU集成了一個(gè)以太網(wǎng)接口和一個(gè)DP接口，方便與組態(tài)王軟件組成通信網(wǎng)絡(luò)。利用STEP編程軟件創(chuàng)建S7項(xiàng)目，在“FC與FB”項(xiàng)目?jī)?nèi)打開(kāi)“SIMATIC 300 Station”文件夾，并打開(kāi)硬件配置窗口，硬件組態(tài)界面如圖5所示。

設(shè)置CPU的Ethernet接口屬性，輸入IP地址、子網(wǎng)掩碼，建立一個(gè)子網(wǎng)。IP地址設(shè)置為192.168.1.2，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.255.0。

4.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化編程。將復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)分割成可反映過(guò)程技術(shù)功能或可多次處理的小任務(wù)，能夠更易于控制復(fù)雜任務(wù)。OB1為主循環(huán)組織塊；OB100為啟動(dòng)組織塊，F(xiàn)C1實(shí)現(xiàn)攪拌控制；FC2實(shí)現(xiàn)放料控制；FB1通過(guò)調(diào)用DB1和DB2，實(shí)現(xiàn)液料A和液料B的進(jìn)料控制，DB1與DB2為液料A與液料B進(jìn)料控制的背景數(shù)據(jù)塊，在調(diào)用FB1時(shí)為FB1提供實(shí)際參數(shù)，并保存過(guò)程結(jié)果。PLC程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 物料混合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)流程

圖5 硬件組態(tài)界面

圖6 PLC程序結(jié)構(gòu)

4.3 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)以組態(tài)軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)物料混合模型仿真運(yùn)行基本步驟為：圖形界面設(shè)計(jì)→定義IO設(shè)備→構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)→建立動(dòng)畫(huà)連接→運(yùn)行與調(diào)試。

(1)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)。利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)圖形界面，如圖7所示。

(2)定義IO設(shè)備。選擇組態(tài)王 “設(shè)備COM1”運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)А?，定義IO設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)選擇 “設(shè)備驅(qū)動(dòng)→PLC→西門(mén)子→S7-300(TCP)”的“TCP”項(xiàng)，為要安裝的設(shè)備指定地址。組態(tài)王與S7-300 PLC TCP網(wǎng)絡(luò)通信地址、通訊參數(shù)定義與設(shè)備地址格式如下：

PLC的IP地址:CPU機(jī)架號(hào):CPU槽號(hào)XXX.XXX.XXX.XXX:Y:Z

其中，[XXX]取值范圍為 0～255，[Y]取值范圍為0～21，[Z]取值范圍為0～18。

圖7 物料混合系統(tǒng)圖形界面

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)造。在組態(tài)王畫(huà)面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中定義數(shù)據(jù)庫(kù)變量，定義時(shí)要指定變量名和變量類(lèi)型。本系統(tǒng)建立的變量如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)詞典變量

(4)動(dòng)畫(huà)連接。將畫(huà)面圖形對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)變量之間建立連接，當(dāng)變量值改變時(shí)，在畫(huà)面上以圖形對(duì)象的動(dòng)畫(huà)形式表現(xiàn)出來(lái)。

(5)仿真調(diào)試。組態(tài)王工程建立完成后，進(jìn)入運(yùn)行與調(diào)試階段。在組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件切換到 View”菜單命令，進(jìn)入組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)，顯示組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)畫(huà)面。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于《現(xiàn)代電氣控制技術(shù)與PLC》實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其無(wú)需實(shí)際物理控制對(duì)象，靈活性強(qiáng)，適合設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，且方便學(xué)生課外學(xué)習(xí)。

(2)以物料混合系統(tǒng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)一個(gè)PLC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，教學(xué)案例來(lái)源于工程實(shí)際，容易引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

(3)案例教學(xué)注重啟發(fā)學(xué)生思考，教師在教學(xué)過(guò)程中不再是“唱獨(dú)角戲”，而是引導(dǎo)學(xué)生積極思考、共同討論并進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，有效鍛煉了學(xué)生對(duì)于電氣控制技術(shù)的綜合應(yīng)用能力與分析解決問(wèn)題的能力。