基于PLCSIM和真實PLC的分布式教學平臺設計和實現

摘要：設計并實現了一種基于PLCSIM和真實PLC的分布式教學平臺，使用PLCSIM代替價格昂貴的操作站PLC，大幅降低了學校在實習實訓設備采買上的投入，為每位學生學習分布式控制創造條件，提高學生的學習靈活性和學習效果，達到幫助學生學習分布式控制、工業通信總線、PLC編程和界面（HMI）組態等核心內容的目的。

關鍵詞：PLCSIM;真實PLC;分布式;教學平臺

0 引言

隨著我國從制造大國向制造強國轉型升級[1]，我國制造業的生產設備正在從獨立式、孤島式向網絡化、智能化方向轉型。信息化技術應用不斷加強，打通了各生產環節的信息高速公路，數據集中顯示和控制已成為大趨勢。目前，各高校大部分采用的是實訓平臺實訓模式，設備采購、維護、更換升級都需要大量的資金投入。

本文設計并實現了一種基于PLCSIM和真實PLC的分布式教學平臺，使用PLCSIM代替價格昂貴的操作站PLC，管控底層現場控制單元，達到幫助學生學習分布式控制、工業通信總線、PLC編程和界面（HMI）組態等核心內容的目的。此系統可以大幅降低學校在實習實訓設備采買上的資金投入，為每位學生學習分布式控制創造條件，提高學生的學習靈活性和學習效果。

1 分布式教學平臺的總體設計

本教學平臺采用PLCSIM（虛擬PLC，軟PLC）代替價格昂貴的300型、400型PLC，保留底層價格便宜的SMART 200系列PLC，可低成本實現學生大規模的DCS系統實習實訓。設計的分布式教學平臺結構如圖1所示。

本平臺主要由PLCSIM和MCGS組成的操作站以及200 SMART PLC和應用場景組成的現場控制單元組成。其中，SIMATIC Manager用于完成300型、400型PLC的硬件組態、網絡組態、邏輯程序編寫和調試任務;PLCSIM用于模擬真實的PLC運行編寫的程序，為SIMATIC Manager編寫的程序和200 SMART PLC提供通信功能;MCGS組態環境和運行環境主要完成工作站的用戶界面組態和用戶監控程序運行任務。

2 教學平臺搭建

2.1? ? SIMATIC Manager軟件

SIMATIC Manager是西門子開發的對300型、400型PLC進行編程和調試的軟件。SIMATIC Manager可以完成PLC程序的在線調試運行，降低學生編寫和調試程序的難度。

2.2? ? STEP 7-Micro/WIN SMART軟件

STEP 7-Micro/WIN SMART是西門子開發的SMART 200系列PLC的組態、編程和調試軟件。SMART 200系列PLC是首選的低成本的電機控制（伺服、變頻）PLC，具有極高的性價比。

2.3? ? PLCSIM軟件

PLCSIM軟件用來模擬真實的PLC完成數字量和模擬量輸入/輸出、邏輯程序運行、通信等功能。PLCSIM具有通信功能，可以完成PLC間的數據交互。

2.4? ? MCGS開發和運行環境

本設計選用通用版MCGS作為人機界面（HMI）組態開發和運行環境軟件。MCGS開發軟件分為3個版本：嵌入式版、通用版和網絡版。嵌入式版MCGS需要配合實際的觸摸屏使用，網絡版MCGS控件相對較少，且學生學習以本機學習為主。MCGS開發運行環境主要用來對操作站PLC的數據進行交互，實現控制過程數據的可視和界面控制功能。通用版MCGS又分為組態環境和運行環境，組態環境用于人機界面實現、控制邏輯編制、設備組態、數據連接等[2]，MCGS運行環境為開發環境完成的程序提供運行環境。

2.5? ? 數據的橋接

由于PLCSIM無法和真實的PLC進行通信，因此需要使用橋接軟件完成PLCSIM和外界PLCSIM、MCGS運行環境之間的通信。本系統選用NetToPLCsim作為PLCSIM、200 SMART PLC和MCGS運行環境的橋接工具。

3 調試與運行

為了驗證該分布式教學平臺的可行性，本設計以三級傳送帶啟停為例，調試分布式教學平臺。本實例用MCGS開發的HMI界面顯示三級傳送帶運行狀態并控制操作站PLC（PLCSIM），操作站PLC（PLCSIM）只給200 SMART PLC發送啟動和停止控制信號，三級傳送帶控制程序在現場控制單元PLC中編寫。三級傳送帶為了避免貨物堆積造成貨物或者傳送帶設備損壞，對啟動順序有一定的要求。本實例的要求為啟動時，第一級傳送帶啟動2 s后，第二級傳送帶啟動，3 s后，第三級傳送帶啟動。停止時，三級傳送帶同時停止。

本實例使用兩臺PC和一臺200 SMART PLC來實現操作站工作站和現場控制單元的功能。操作站工作站（PC1）實現操作站PLC的仿真、信號的橋接和MCGS開發運行環境的運行。現場控制單元（PC2和200 SMART PLC）實現電機正反轉的程序編寫和運行，三級傳送帶啟停的控制信號由200 SMART PLC的數字量輸入/輸出端口信號模擬。

3.1? ? PLC程序的設計

3.1.1? ? 三級傳送帶啟停的工作原理

三級傳送帶的啟停控制由200 SMART PLC實現，需要在STEP 7-Micro/WIN SMART中編寫控制邏輯。對本實例中三級傳送帶啟停狀態進行分析，三級傳送帶啟停程序狀態如表1所示。

3.1.2? ? 信號分配

由于控制邏輯在200 SMART PLC中編寫，啟停的信號可由200 SMART PLC本地的數字量輸入端口或者內部變量控制，亦可由MCGS編寫的HMI程序中的變量控制。通過對系統架構的分析，設計本平臺的信號分配表，如表2所示。

3.1.3? ? 200 SMART PLC和仿真PLC交互數據

由于三級傳送帶的控制邏輯在200 SMART PLC中編寫，啟動和停止信號由MCGS編寫的HMI程序讀寫到虛擬的PLCSIM中，200 SMART PLC和仿真PLC交互數據通過200 SMART PLC讀寫PLCSIM中數據實現。

3.1.4? ? 編制PLC程序

根據三級傳送帶啟停的工作原理設計的傳送帶啟停程序如圖2所示。

3.2? ? MCGS程序設計

MCGS程序設計分為三大部分：設備組態、數據連接、界面（HMI）組態。

3.2.1? ? 設備組態

在設備組態窗口中，添加“西門子CP443-1以太網模塊”。設備組態需要完成本地IP地址（運行MCGS程序的計算機IP地址）的設置、遠程IP地址（需要連接的PLC地址）的設置。

3.2.2? ? 數據連接

MCGS內部的數據對象需要和PLC內部變量連接，賦予MCGS內部數據物理意義。PLC內部變量和MCGS內部數據連接關系如表3所示。

3.2.3? ? 界面（HMI）組態

按照需求，放置元器件后，連接控件和MCGS內部數據對象綁定。傳送帶啟停界面元件和數據綁定關系如表4所示。

3.3? ? 運行結果

200 SMART PLC程序編寫完成后，下載到PLC。PLCSIM仿真的PLC不需要編寫PLC程序，只需要硬件組態。組態后，程序下載到PLCSIM中，啟動NetToPLCsim和MCGS編寫的HMI程序。運行的分布式教學平臺效果如圖3所示。

4 結語

本文以三級傳送帶啟停程序的調試和運行為例，驗證了設計的基于PLCSIM和真實PLC的分布式教學平臺運行正常，能夠滿足PLC的分布式教學要求。設計的教學平臺使用PLCSIM代替價格昂貴的操作站PLC，可以大幅降低學校在實習實訓設備采買上的投入，為每位學生學習分布式控制創造條件，提高學生的學習靈活性和學習效果，達到幫助學生學習分布式控制、工業通信總線、PLC編程和界面（HMI）組態等核心內容的目的。

[參考文獻]

[1] 李光，韓芮.“工業4.0”視閾下智能包裝裝備發展趨勢[J].包裝學報，2018，10（1）：34-41.

[2] 馮軍磊，王艷平.基于MCGS和PLCSim的虛擬教學實驗平臺的設計與實現[J].機電信息，2020（6）：70-71.

收稿日期：2021-02-22

作者簡介：馮軍磊（1989—），男，河南西平人，助教，研究方向：計算機檢測與控制、物聯網技術應用、機電一體化。