基于组态的PLC虚拟教学系统的研究.pdf

电气 自 动化 2 0 1 5 年第3 7卷 第4 期 自动控制系统与装置一 Au t o ma t ic Co n t r o l S y s t e ms＆ E q u ip me n t s 基 于组态 的 P L C虚拟教学 系统的研究 刘 力 辽宁装备制造职业技术学院 高职教务处， 辽宁 沈阳1 1 0 1 6 4 摘要介绍了自行开发的P L C虚拟仿真教学系统， 以液体混合装置为例， 应用组态软件 K i n g v i e w建立了模型， 采用虚拟技术进行仿真 实验。经系统调试与运行， 证实了基于组态软件的 P L C虚拟仿真液体混合装置的系统能够准确顺畅的实现装置的运行过程。 以组态软件为平台的 P L C虚拟系统， 开发周期短 ， 节省成本 ， 系统稳定安全， 仿真效果生动形象、 实时性好， 可以应用在 P L C课 程的理实一体化教学中， 具有一定的推广价值。 关键词组态软件； 仿真； 虚拟技术； P L C ； 理实一体化 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0 3 8 8 6 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 3 5 [ 中图分类号]T P 3 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 5 0 4 0 1 0 6 0 3 Re s e a r c h o n a PL C Vi r t u a l T e a c h i n g Sy s t e m Ba s e d O ff Co n f ig u r a t i o n U U Li O f fic e o f T e a c h i n g A ffa i r s f o r H i g h e r V o c a t i o n a l E d u c a t i o n ， L i a o n i n g E q u i p me n t Ma n u f a c t u r i n g V o c a t i o n a l T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 1 6 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s c rib e s a s e l f - d e v e l o p e d P L C v i r t u a l s i mu l a t i o n t e a c h i n g s y s t e m ，w h i c h ，t a k i n g a l i q u i d mi x i n g d e v i c e a s e x a mp l e，u s e s c o n fi g u r a t i o n s o f t w a r e K i n g v i e w t o s e t u p a mo d e l a n d U S e S v i r t u a l t e c h n o l o g y f o r s i mu l a t i o n e x p e r i me n t ． As v e r i fi e d b y s y s t e m d e b u g g i n g a n d o p e r a t i o n，t h e P L C v i r t u a l s i mu l a t i o n l i q u i d mi x i n g d e v i c e b a s e d o n c o n fi g u r a t i o n s o wa r e c a n a c c u r a t e l y a n d s mo o t h l y r e a l i z e t h e o p e r a t i n g p r o c e s s o f t h e d e v i c e ． T h e P L C v i r t u a l s y s t e m b a s e d o n t h e c o n fi g u r a t i o n s o f t wa r e p l a t f o r m h a s a s h o r t d e v e l o p me n t c y c l e-l o w c o s t ，s t e a d y a n d s a f e s y s t e m ， v i v i d s i mu l a t i o n e f f e c t a n d g o o d r e a l t i me p e r f o r ma n c e ，c a n b e u s e d i n t h e P L C c o u r s e o f t h e o r y p r a c t i c e i n t e g r a t i o n，a n d i s wo rt h y o f p o p u l a r i z a t i o n t o s o me e x t e n t ． Ke y wo r d s c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ；s i mu l a t i o n ；v i r t u a l t e c h n o l o gy ；P L C；t h e o r y p r a c t i c e i n t e g r a t i o n O 引 言 虚拟教学系统是用组态软件的虚拟技术模拟教学中需要设 备或生产环境， 以达到身临其境的感觉。 P L C在各行各业应用非常广泛⋯， 控制对象多种多样 ， 出于 教学成本和安全性考虑， 大批购人实际模型非常不现实， 模拟屏 式的模型又达不到教学要求 。 本文为达到 P L C课程的理实一体化教学需要， 考虑以上功 能实现的难度以及经济效益， 选择了组态软件 K i n g v i e w实现一种 新 的基 于组 态的 P L C虚拟教学实验 系统 。此 虚拟教学 系统既 可提高系统的监控功能 ， 又可避免教学投入， 降低使用成本 ， 适应 当今高 职院校理 实一 体化 教学 的需要 。 1 虚拟教学系统结构 每个学生实验台即为一套虚拟教学系统 ， 系统结构如图 1 所 示。由一台计算机 称为上位机， 安装组态软件和 S T E P 7编译软 件 和一台西门子 s 7 2 0 0型 P L C 称为下位机 组成， 上位机与 下位机通讯接口是 R S 2 3 2 ／ 4 8 5转换器。 2 液体混合装置 P L C控制系统工艺流程、 参数 和 I ／ o 变量 1 工艺流程 液体混合装置由混合罐体、 电磁阀、 电动机、 液位传感器 、 系 定稿 日期 2 0 1 5 0 l 一2 O 基金项目本文为辽宁广播电视大学学校课题 基于组态控制技术的 P L C实训装置的开发 0 8 0 1一 Y Y 一0 0 1 的研 究成果。 1 0 6 El e c t r ic aI Au t o ma t ion 接 口 下位机 图 1 系统 结构 图 统启停开关以及管路组成。常态下系统的输入输出设备为关闭， 当按下启动开关后， 系统开始工作。主要工序为 ① 按 比例进 料； ② 混合搅拌； ③ 出料。工艺流程如图2所示。 系 统 启 停 I 进 辩 阀 c 关 拄 捧 l 出 辩 图 2 液体混合装置工艺流程 图中， 从左到右是系统工艺流程， 各工序转换比较连续， 从系 统启动开始 ， 进料 、 搅拌 、 出料三个工序顺序往复进行 。工 序的切 换主要是定时时间和液位传感器状态的变化。 2 参数和 I ／ O变量 虚拟设备的参数主要依据现实液体混合装置系统的参数。 自动控制系统与装置 皇 皇 竺 兰兰 竺 Au t o ma t ic Co n t r o l S y s t e ms＆ E au iD me n t s 系统的 b O变量主要有 启停开关 、 高液位传感器 S L 1 、 中液位传 感器 S L 2 、 低液位传感器 S L 3 、 电磁阀 A线圈 Y V 1 、 电磁阀 B线圈 Y V 2 、 混合液电磁阀 c线圈 Y V 3和搅拌电动机接触器线圈 K M。 此外， 系统要求混合液体物料比例为 液体 A 液体 B3 1 。 3 液体混合装置运行状态的虚拟实现 虚拟实现液体混合装置的运行状态 ， 首先进行系统建模 ， 处 理虚拟现场所需的数据。然后根据系统特点定义了变量及类型， 再根据前两项工作基础， 对系统进行仿真编程。最后调试系统， 直至达到设计要求 。 只有将建模 、 数据处理、 仿真等技术有机结合， 才能提供所需 要信息及实时交互性的虚拟现实开发环境 。 3 ． 1 液体混合装置虚拟模型的建立 虚拟建模主要做了三项工作 第一， 数学建模 ， 主要包括建立液体混合装置所要求 的三个 传感器的位置数据以及液体 A、 B的比例参数 ； 第二， 物理建模 ， 主要包括简化生产模型， 在组态王软件的 “ 图库”中找到对应的主要设备， 布置对象 ， 连接绘制； 第三， 程序实现 ， 即通过程序把各种物体之间的相互运动、 响 应加以控制， 模拟对象在三维世界中的行为_ 6 J 。 充分考虑了系统的参数 ， 对混合罐体大小进行 比例缩放， 液 位传感器的位置按实际模型的比例放置。对液体流动速度 、 电磁 阀动作状态、 系统启停开关、 电动机工作状态等问题进行了细致 的设计 。 3 ． 2 系统虚拟运行 的实现 1 传感器位置计算 ① 高液位传感器与中液位传感器位置的计算 按系统参数设置， 液体 A与液体 B的体积比为 3 1 ， 因液体 A与液体 B注入罐体后体积比即等于高度比， 即 1 H 2一H 1 3 1 1 式中珊一 中液位传感器到罐底高度 单位 m ； 一高液位 传感器到罐底高度 单位 m 。 ② 低液位传感器位置的计算 H 3 S 口 t 2 式中m一低液位传感器到罐底高度 单位 m ； Js 一罐体横 截面积 m ； 一混合液体流动速度 m ／ s ； 一混合液体放空时 间 单 位 S 。 2 系统各输入输出开关量虚拟运行的实现 各个主令元件 、 电磁阀、 液位传感器和电动机等均属开关量 的输入输出。将界面中图素 代表被控对象 的动画属性与组态 王数据字典中同名变量连接即可， 在其中选择动画类型， 变换颜 色或者 闪烁 。 ． 3 系统液位虚拟增减 的实现 为实现系统液位虚拟增减， 系统设置了 1个内存整型变量 “ 液位高度” 。y 一Y v 3 、 S 一S 是离散变量， 符号意义与 ／ ／ O变 量相对应。脚本程序如下 ／ ／ 液位控制 ／f ＼ ＼ 本站点＼ l ， 1 I I ＼ ＼ 本站点 ＼ l ， 1 ＼ ＼ 本站点 、 液位高度 ＼ 、 本站点 、 液位高度 1 0； ／f ＼ ＼ 本站点 ＼ Y w 1 ＼ ＼ 本站点 ＼ 液位 高度 ＼ ＼ 本站点 ＼ 液位高度 一 5 ； ／ ／ 液位传感器信号模拟 ／f ＼ ＼ 本站点 ＼ 液位高度 ≥1 0 0 ＼ ＼ 本站点 ＼ S 1 ； e l s e ＼ ＼ 本站点 ＼ S ∞ 0； ／f ＼ ＼ 本站点＼ 液位高度≥1 8 o ＼ 、 本站点 ＼ S 1 ； e l s e ＼ ＼ 本 站点＼ S n 0； ／f ＼ ＼ 本站点＼ 液位高度92 4 0 ＼ ＼ 本站 点、 S 1 ； e l s e 、 ＼ 本 站点＼ S O； 程 序扫描周期 为 1 0 0 m s 。 4 电动机搅拌器虚拟运行的实现 当混合液体没过高液位传感器后 ， 电动机带动搅拌器对罐体 内液体进行充分搅拌。为提高系统仿真的可视性， 设计时将电动 机的速度降低。把搅拌器的叶片设置为五叶片旋转状态， 并设置 为隐含动画。应用事件命令语言， 程序如下 i f ＼ ＼ 本站点 ＼ 叶片旋转 5 ＼ ＼ 本站点＼ 叶片旋转 ＼ ＼ 本站点＼ 叶片旋转1 ； e l s e ＼ ＼ 本站点 ＼ 叶片旋转 0； 5 故障报警 为保障系统安全运行， 真实仿真实际的实验设备 ， 完善监控 功能， 为 P L C理实一体化课程实训提供良好的平台， 根据系统工 艺要求 ， 并预测系统投入教学可能出现的问题 ， 设计 了故障诊断 报警功能 ， 设置了越限报警、 延时报警、 离散型变量报警三种类型 的报警 。 3 ． 3 虚拟设备仿真效果测试 1 通讯设置 在组 态环境下 ， 选择 P L C的生产厂 家 、 型号。设置 通讯方 式 和传输速率 ， 应与 P L C的通讯方式和传输速率设置保持一致。 2 系统运行测试 在 S T E P 7环境下载 P L C梯形图程序并运行。在上位机组态 软件上， 运行系统 ， 出现监控画面后， 按画面上启动按钮 ， 即可观 测实验结 果。 3 结果分析 因系统针对学生实验教学， 对象仿真的效果必须与学生所编 写的 P L C程序的运行结果一致。系统最终验收测试， 以对比实 验法进行分析验证 。 选取了四个不同的 P L C程序， 选取原则是按照系统工艺流 程特点 ， 分别 在进 料 、 搅拌 、 出料三个流程 中， 找 到的关键 问题 ， 编 写出对应的P L C程序， 最后一个是正确无误的 P L C程序 第一个是进料阶段， 当液位高于高液位传感器 S L 1时 ， 阀 B 仍然打开继续进料的P L C程序； 第二个是搅拌阶段， 搅拌电动机工作超时的 P L C程序； 第三个是出料阶段 ， 阀 C打开， 但阀 A、 阀 B也同时打开 P L C 程序； E le c t r i c a I Au t o ma t io n 1 0 7 电气 自动化} 2 o 1 5年第 3 7卷 第 4期 自 动控 制系统 与装置 一 Au toma t ic Co n t r o I S y s t e ms＆ E q u ip me n t s 第 四个是完 全按 工艺流程正确的 P L C程 序。 经 系统运行测试 ， 系统能够按 照 P L C程 序的情 况 ， 如实仿 真 虚拟控制对象的运行情况。 画面生动有趣， 形象逼真。系统预 设的报警功能得以实现， 及时准确的弹出报警对话框 ， 并给予相 应 的检古 和编程提示 ， 实时 和人机 交互性好 。符 合预期的设计 思路， 满足 r教学仿真试验的要求。四个 P L C程序运行对比结 果 ． 如图 3所示 液体混合姨嚣控制 液体混合装置控制 俘 痂扳 “ ‘ 期 “| ． 一A ] 11 I I | _ ■ ‘ ‘I ． ● ’ o ’ Ig * n h nl i i i ””． ⋯ ⋯ “ ●O 譬 毒 _ | 一● O - ． j 一 蛐 ， 管 一 - 启停面板 帮 一 _ ● 指衣面板 ● ●o a 第一个P L c鞋序仿真结粜 b 第二个P I C 程序仿真结果 液体 混合犍 铃控制 液体混合装 控制 c 第i个P L C 序f 『 j 真结_粜 d 第四个P L C 程序仿真结果 图 3仿真效果 图 4 结束语 对于肇干组态的带有模拟量的 P I c仿真系统， 与j f 关量的 系统相 比， 实现有 一定难度 。本文以液体混合装置 为例 ， 应用 了 上接 第 7 l页 集； A C模块实现交流输入信号的 采集； P O WE R模块为装置上作 提供 电源 ； C P U模块 完 成数据 处 理 、 通讯 等功能 3 ． 2 ． 3系统构 架与模块 自适应 锌功能 模块 在模数化机箱平 台基础 ， l ． 通 过 C A N 总线 连接 ， P O WE R模块提供 作电源， C P U 模块完成整体数据处理及 七位通 讯， 从而搭 建 一套功 能 完 备的信 息 采集 与控 制系统 ， 如 图 2 各功能模块根据现场应用进 行组合 j 配置． 数 及插拔位置 不 受限制 ， 这就 需 要模块 本 身 及 系统平台需要具备 自适应功能， 在模块 插 入机 箱构 架时 ， 模 块与 系统平 台 即进行 握 手通 汛 ， 从而 图 3 自适应流程图 完成自适应。自适应流程图及插槽模块类型定义程序如图3 。 4 结束语 本文从 前智能电 监控系统的现状出发， 剖析设备 技术 等多方面制约因素， 分析当前智能监控现场设备层监控“ 死角” 1 0 8 Elec t r i c a l Au t oma t io n 组 态的虚拟技 术 ． 对现 有的实 训设 备原型数据 进行 分析 和处理 ． 建模 。经 系统测试 ， 』 位机 运 行 _r P I c程序 后， 能 够真实准 确 的仿真现场设备的运行情况。并能通过仿真运行状况， 比如液位 变化 、 电磁 阀的开关等 ， 可 以验 证学 生 P L C氍序 正确 与 否， 系统 的报 警功能完善 ， 能够 对 P I c程 序的 问题 做适 当的提尔 ， 界面友 好。可 以安 全 、 准确 、 自如的 应用 于 P I |C课 程理 实 一 体 化 的教 学中 。 系统叮以对各经典的生广 过程进行模拟仿真 ， 不仪生动形 象 、 而且节省成本。为高职 P L C课程理实一体化教学开辟 r一 条新的路径 。 参考文献 [ 1 ] 周美 羔． P I C电， _ c 控制 |一 j 绀 态没汁[ M] ． 北京 科学出版 H ， 2 0 0 3 ． 1 2 ]覃 贵礼 ． 纰 惫软件控制技术 [ M] ． 北京 北京理 大一 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ]孙张伟， 杨俊． 余玲， 等． 基于组态的网络虚拟宴验 台的研究[ J ] ． 计 算机 仿真． 2 0 0 7， 2 4 4 2 7 5 2 7 8 ． [ 4]刘力． 组 念软件在 P L C实验 系统 【 } 】 的应片 j [ J ] ． 实验 窀研究 与探索 ， 2 0 1 4， 3 3 4 1 2 71 2 9． I 3 6 ． [ 5]问怡璇 ， 郑萍． 基于 P I c技 术的过 程控 制实验 装 霞 次 歼发[ J ] ． 实 验室研 究 j 探索 ， 2 0 1 2 ， 3 1 9 3 2 3 5， 5 6 ． [ 6]袁浩 。 白瑞 峰， 房朝 晖， 等． 模拟啤酒生产线 町视化中央监控系统 设计 与实现[ J ] ． 实验技术 j 管理 ． 2 0 1 4 ． 5 2 9 1 2 01 2 3， 1 3 4 ． [ 7 ]朱涛 ， 周 天沛． 基 于 P L C的双容水箱液位控制仿真 实物实验 系统 设 汁[ J ] ． 实验技 术与管理 ． 2 0 1 3， 5 1 1 1 2 93 3 ． [ 8 任思壤 ， 李春华 ， 李 忠勤． 于组 态仿 真技 术 的纸帆 实验 系统 设 ‘ f J j ． 实验窀研 究‘ j 探索 ． 2 0 1 4， 3 3 7 9 81 0 0 ． 【 作者简介】刘力 1 9 7 9一 ， 女． 辽宁锦州人， 讲师， 硕士， 主要从事计算机 控 制技 术 、 机 电 一 体 化技 术研 究 、、 与遗漏监控的深层原 因， 提出可适 配的 多模块的数据 采集与控 制 系统理论， 对现场离散的状态与信息及控制量进行集中监控 ， 以最 优的成本控制达到全方位 智能监控的要求。各类型模块任意适 配概念 及模数化结构思想完全满 足工程用户小确定性及 自由多变 的需求。然而本文中的多路信息的集中监控 传输理论是在硬件 设备性能 网络通 讯速 率完全满足要求 的前提下 提出 的， 实际 卜 现有条件是存在一定困难的， 因此如何进一步提高数据的集中并 行处理性能与町靠性将是下一阶段研究的方向与课题。 参考文献 [ 1 ]张杭． 智能 化电器 和智能化开关 的现 状 ‘ 发媵 [ J ] ． 江苏机 械制造 与自动化 ． 1 9 9 9， 2 8 6 3 8 ． [ 2 ]魏建 国， 李小玲 ． 智能 建筑 配 电 监控 系统 [ J ] ．攀枝 花 学 院学 报 ， 2 0 1 0， 2 7 3 6 2 6 5 ． [ 3]晏行 芳． 智 能配 电 监控 系统 的应 用 [ J ] ．芜湖职 业技 术学 院 学报 ， 2 0 0 3 ， 5 3 6 9 ． [ 4]宫慧颖 ． 集控站 自动化监控 系统构造模 的分析 Ij 设计 [ J ] ． 北 华大 学学报 ， 2 0 1 1 ， 1 2 1 I l 3一I l 6 ． [ 5 ] 谭忠显 ．多路数据采集系统的模块化设计 [ D J ． 蘑庆 两南 大学 I 程 技 术学 院， 2 0 1 0 ． [ 6 ] 陶晓农 ． 分 散式 变电站 监控 系统 中的通f 技 术办案 [ J ] ． 电力系统 自 动化， 1 9 9 8 ， 2 2 4 5 1 5 4 ． [ 7]扬培 君， j 文瑞． 智能配 电监控 系统 的人机 交互 设i 1 l 【 J ] ． 电子科技 ， 2 0 11 ， 2 4 4 9 29 5． 【 作者简介】周清平 1 9 7 6 一 ， 男， 湖南汩罗人， 工程师， 硕士， 主要研究方 向 电力 系统运行及优化 一一