毕业设计（论文）-基于组态软件的PLC仿真实验平台设计.doc

摘要 可编程控制器(plc)是工业控制领域的重要装置，随着工业自动化技术的不断发展，其应用范围也在不断拓展。对于培养专业工程技术方面人才的高校来说，plc的教学显得尤为重要。本文的设计正是在基于改进plc实验教学装置、提高实验教学质量的目的提出来的。 本文就当前高校plc教学实验的现状和其中存在的问题提出了可行的方案基于组态软件的plc实验教学系统。论文的开始分析了现阶段plc教学系统存在的一些弊端，接着介绍一些常见的plc以及组态软件，简述它们的发展史，然后是基于组态软件仿真平台的实验原理。本文使用的西门子s7-200plc和wincc(windows control center)来讲述平台的设计。最后通过几个简单的仿真实验，详细论述了该实验基于s7-200系列plc和wincc组态软件的实现方案，并建立了plc仿真实验平台教学系统。 教学仿真系统不仅可验证 plc的控制程序的正确与否，还可直观逼真地显示 plc 动态控制过程，加深对 plc 实验的兴趣和理解，提高 plc课程的理论学习水平。基于组态软件的plc实验教学系统的建成，解决了高校开展plc实验课程难的问题，较好的满足了高校plc课程教学实验的要求。关键词：实验教学，可编程控制器，组态软件，仿真 abstract programmable logic controller (plc) is an important field of industrial control devices. with the continuous development of industrial automation technology, it is also expanding its range of applications. to colleges and universities which cultivate talents of professional engineers, plc teaching is particularly important. this paper is brought up based on the purpose of improving plc experimental teaching device and the quality of experiment teaching.this paper analyzed the current condition of domestic plc experimental teaching at present and summarized the existing problems of experimental teaching equipment in many universities, then propounded a new plc experiment system based on industrial monitoring configuration software which is in combination of the base of previous studies.the beginning of the paper analyzed the drawbacks existed in present teaching system of plc, then introduce some common plc and configuration software. a brief description of their development history, and is based on the principle of the simulation platform of the configuration software .in this paper, using the siemens s7-200 plc and wincc (windows control center) to tell the platform design. finally through a few simple simulation experiment, the experiment is discussed based on s7-200 series plc and wincc configuration software implementation scheme, and the plc experiment teaching system is established. teaching simulation system can not only verify the plc control program is correct or not，also can realistically according to dynamic control process of plc, deepen the interest and understanding of the plc experiment and raise the level of theoretical study of plc course. of the plc experiment teaching system based on configuration software is built, solved the problem of the colleges and universities to carry out the plc experiment course is difficult, better meet the requirements of the plc course teaching experiment.key words: experiment teaching， plc ，configuration software， simulation 1 绪论11.1课题研究的目的和意义11.2 国内外研究情况21.3 课题研究的主要内容及章节安排31.3.1 课题研究的主要内容31.3.2 论文内容安排32 课题相关技术介绍42.1 plc42.1.1 plc的基本概念42.1.2 plc的基本工作原理62.2 组态软件72.2.1 组态软件的基本概念72.2.2 组态软件的功能72.2.4 组态软件的特点112.3 仿真平台技术113 实验系统的构成及通信133.1 实验系统的构成133.2 opc服务器的建立133.2.1 通信接口的设置133.2.2 opc服务器的建立133.3基于wincc的s7-200实验平台系统开发144 基于组态软件的plc实验平台仿真实验154.1 刀具库选刀实验154.1.1 编写plc程序154.1.2 组态画面174.1.3 对画面添加动态174.1.4 激活wincc并运行plc测试组态画面184.2 反应罐自动控制系统204.2.1 编写plc程序20 4.2.2 组态画面及动态的添加 234.2.3 组态画面的测试244.3 搬运机械手监控系统274.3.1 编写plc控制程序274.3.2 组态画面及动态画面添加314.3.3 激活wincc并运行plc测试组态画面32总结与展望34参考文献35致谢36 1绪论1.1课题研究的目的和意义 传统 plc实验教学的一般思路是根据系统控制要求选择 plc硬件配置，譬如有多少个开关输入量、模拟输入量、开关输出量、模拟输出量；然后编写梯形图并输入到 plc 中，并在实验板上观察最后输出的运行结果.这种教学方式缺乏直观性，实验者不能观察到中间变量，不能体会到实验的变化过程，因此对实验结果也只能是感性认识，被动接受，无法吸引学生的学习兴趣。而当今的教育体制是要使教学尽量符合实际，课堂教学、实验教学、生产实际应保持一致，传统的 plc实验教学方式不能解决这一问题。实验者对传统的plc实验教学方式不感兴趣的另一个原因是灵活性、参与性不强，硬件配置、软件编程都是“死的”，按部就班无创新，参数不能修改，结果预知。 基于工业组态软件的plc虚拟实验控制系统，突破了传统的plc实验模式，将可编程控制器与监控组态软件有机的结合在一起，利用组态软件模拟多种plc控制对象，既可降低实验成本，又可以丰富学生的实验课内容，而且实验内容的扩展更新也极为方便1。工业组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具2。它不仅具备工程开发界面立体效果好、场景直观形象的优点，而且还具有开发周期短、监控功能完善、驱动设备丰富、可扩展性强等诸多优势。因此，将工业组态软件应用到plc实验教学中，用计算机全真模拟被控对象，不但可以克服采用真实被控对象操作复杂、维护困难等这样的一些缺点，而且能以有限的设备、低廉的造价、多样化的程序来丰富学生的实验课内容，对于增强plc实验课的教学效果，促进plc实验教学的质量具有一定的意义3。 此外，由于该系统设计是完全模拟真实的工业现场设备的控制要求来进行的，因此，通过对该系统的研究，还可以使工业监控现场的设计人员在监控系统设计安装的早期，即可在虚拟的环境中直观形象的对模拟的监控系统进行设计优化和性能测试，对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、加快系统设计开发周期同样具有相当的意义4。 本课题的意义在于研制提供一种新型的可编程序控制器教学实验系统，着重学生的能力培养，并给学生留有足够的发挥空间，具有很好的开发柔性和扩展性。该实验系统有一定数目的输入输出元件，同时可编程控制器也有一定数目的输入输出点，学生可以自己利用组态软件内的元件组成接近实际工业应用的界面，自己编制其控制程序，充分发挥学生个人的创造性思维和动手能力，同时也可以使学生掌握可编程序控制器与电力拖动、计算机系统的信号传递及控制功能等结合的先进控制技术。本系统的开发应用不仅能够丰富教师的教学手段，提高学生的学习兴趣，提高教学效果，而且能够为专业老师在复杂控制系统、智能控制系统等方面的研究提供了实验对象及实验手段5。1.2 国内外研究情况 随着计算机仿真技术的发展，西门子、三菱、欧姆龙公司等各个plc生产厂家几乎都推出自己的plc仿真软件。西门子公司的最新仿真软件s7plcsim，可以仿真57-300和57-400，具有访问模拟plc的i0存储器、累加器和寄存器，通过仿真运行窗口监控io存储器及程序运行结果等功能。 三菱公司的最新仿真软件为gxsimulator6.0，可以仿真q、qna、a、fx全系列plc，具有离线调试功能包括软元件的监视测试，外部机器的io模拟操作等，但不支持网络通信和智能模块仿真。 欧姆龙公司的最新仿真软件版本为cxsimulator l5，可以仿真csi、cji和cpih。随着虚拟仪器技术的迅速发展，并在越来越多的领域发挥了重要的作用，虚拟仪器的开发软件越来越多，也越来越适用，近年来，世界各国的虚拟仪器公司研制了不少虚拟仪器开发软件，以便于使用者利用这些仪器公司提供的开发平台组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。除了上述的优秀开发软件之外，美国hp公司的hp-vee和hptig平台软件，美国tektronix公司的ez-test和tek-tns软件，以及美国hemdata公司的snpa-marter平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 plc虚拟教学实验就是虚拟可编程控制器的控制设备，即利用虚拟控制对象代替实际设备或传统教学模型。其仿真被控对象所使用的可视化系统开发工具大致有两类：其一，由美国微软公司发布的可视化开发工具visual c+、visual basic等；其二，各种工业监控组态软件(比如，fix、intouch、wincc、labview、组态王、力控)等。国外在这方面的开发，起步比较早。不仅用于虚拟教学实验中，还广泛运用于生产过程监控系统中。国内目前也有不少高校将虚拟控制对象成功地运用于可编程控制器虚拟教学实验或生产过程监控系统中。如北京联合大学、中国农业大学和浙江大学等都进行了相关的可编程控制器虚拟教学实验的研究，但它们在进行虚拟被控平台的开发中往往更多的侧重于用可视化开发工具来实现对被控对象的虚拟仿真，而忽视了用现成的监控组态软件实现上述功能。因此，它们所开发的虚拟教学系统虽然实现了虚拟教学的功能，但却存在开发周期长，过程复杂，且人机界面不如专业监控组态软件友好等缺点6。1.3 课题研究的主要内容及章节安排1.3.1 课题研究的主要内容本次课题研究开发的plc实验控制系统平台，其实质为：基于工业组态软件的plc虚拟实验控制系统。它的核心是利用组态软件开发一系列plc实验学习常用控制对象的组态工程，编写plc控制程序，并应用相关通信原理将组态工程与plc控制程序相结合，通过运行组态工程，使plc的控制过程和动作特征实时的展现在用户面前。1.3.2 论文内容安排本文将分四章进行。第1章 绪论。首先讲述了plc实验教学在plc教学中起到举足轻重的作用，然后分析介绍了当前plc实验教学的常用方法及其不足之处，说明了利用计算机仿真技术来实现plc虚拟仿真实验教学的现实意义。第2章 相关技术的介绍。本章主要介绍plc，组态软件及仿真平台等相关技术，如它们的构成，特点及工作原理。第3章 主要介绍实验系统的构成，以及wincc与plc之间通信的实现。第4章 实验操作模块的设计。通过三个由易到难的实验帮助同学更好的学会使用该实验系统。2 相关技术介绍2.1 plc2.1.1 plc的基本概念 plc，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 plc的生产厂家有很多，产品的结构也各不相同，但其基本构成相同，都采用计算机结构，如下图所示。plc主要有6部分组成：cpu(中央处理器)、存储器、输入输出接口电路、电源、外设接口及io扩展接口。如图2.1所示 图2.1 plc结构示意图（1） cpu cpu是中央处理器(central processing unit)的英文缩写。它是plc的核心和控制指挥中心，主要由控制电路、运算器和寄存器组成，并集成在一块芯片上。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。（2）存储器 存储器主要存放系统程序、用户程序和数据。根据存储器在系统中的作用，可分为系统程序存储器和用户程序存储器。 系统程序是对整个plc系统进行调度、管理监视及服务的程序，控制和完成plc各种功能。这些程序有plc制造厂家设计提供，固化在rom中，用户不能直接存取及修改。系统程序存储器容量的大小，决定系统程序的大小和复杂程度，也决定plc的功能。用户程序是用户在各自控制系统中开发的程序，大都存放在ram存储器中。因此使用者可以对用户程序进行修改。为保证掉电时不会丢失存储的信息，一般用锂电池作为备用电源。用户程序存储器容量的大小，决定用户控制系统的控制规模和复杂程度。 （3）输入、输出接口电路 输入、输出接口电路是plc与现场io设备相连接的部件。plc将输入信号转换为cpu能够接收和处理的信号。通过用户程序的运算，把结果用过输出模块给执行机构。 （4）电源 plc的电源一般采用ac220v电源，经整流、滤波、稳压后变换成供plc的cpu、存储器等电路工作所需的直流电压。为保证plc工作可靠，大都采用开关型稳压电源。有的plc还向外部提供24v直流电源。 （5）外设接口 外设接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座，通过电缆线可配接编程器、计算机、打印机、eprom写入器等。 （6）io扩展接口 io扩展接口用来扩展输入、输出点数。当用户输入、输出点数超过主机的范围时，可通过io扩展接口与io扩展单元相接，以扩充io点数。ad和da单元及链接单元一般也通过该接口与主机连接7。2.1.2 plc的基本工作原理当plc投入运行后其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 （1）输入采样阶段 在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出8。2.2 组态软件2.2.1 组态软件的基本概念 组态软件，又称组态监控系统软件。译自英文scada，即 supervisory control and data acquisition（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i/o产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。“组态（configure）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。“监控（supervisory control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理9。2.2.2 组态软件的功能 组态软件通常有以下几方面的功能：（1）强大的界面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于windows环境下，充分利用windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的m风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控件和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。（2）良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。（3） 丰富的功能模块。提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场要求。利用各种功能模块，完成实时监控 、产生功能报表、 显示历史曲线、实时曲线、提醒报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既适用于单机集中式控制、dcs分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统。（4）强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。（5）可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面（6）周密的系统安全防范，对不同的操作者，赋予不同的操作权眼，保证整个系统的安全可靠运行。（7）仿真功能捉供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。2.2.3 国内外组态软件品牌（1）intouch：wonderware（万维公司）是 invensys plc“生产管理”部的一个运营单位，是全球工业自动化软件的领先供应商。wonderware的intouch软件是最早进入中国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于windows3.1的intouch软件曾让我们耳目一新，并且intouch提供了丰富的图库。但是，早期的intouch软件采用dde方式与驱动程序通信，性能较差，最新的intouch7.0版已经完全基于32位的windows平台，并且提供了opc支持。（2）ifix：ge fanuc 智能设备公司由美国通用电气公司（ge）和日本fanuc公司合资组建，提供自动化硬件和软件解决方案，帮助用户降低成本，提高效率并增强其盈利能力。 intellution公司以fix组态软件起家，1995年被艾默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，fix6.x软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序（需单独购买）。上世纪90年代末，intellution公司重新开发内核，并将重新开发新的产品系列命名为ifix。在ifix中，intellution提供了强大的组态功能，将fix原有的script语言改为vba（visual basic for application），并且在内部集成了微软的vba开发环境。为了解决兼容问题，ifix里面提供了程序叫fix desktop，可以直接在fix desktop中运行fix程序。intellution的产品与microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。intellution也是opc（ole for process control）组织的发起成员之一。ifix的opc组件和驱动程序同样需要单独购买。2002年，ge fanuc公司又从爱默生集团手中，将intellution公司收购。2009年12月11日，通用电气公司（纽约证券交易所：ge）和fanuc公司宣布，两家公司完成了ge fanuc自动化公司合资公司的解散协议。根据该协议，合资公司业务将按照其起初来源和比例各自归还给其母公司，该协议并使股东双方得以将重点放在其各自现有业务，谋求在其各自专长的核心业内的发展。目前，ifix等原intellution公司产品均归ge智能平台（ge-ip)。（3）citech：悉雅特集团（citect）是世界领先的提供工业自动化系统、设施自动化系统、实时智能信息和新一代 mes 的独立供应商。 cit公司的citech也是较早进入中国市场的产品。citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。citech提供了类似c语言的脚本语言进行二次开发，但与ifix不同的是，citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于c语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。（4）wincc：西门子自动化与驱动集团(a&d）是西门子股份公司中最大的集团之一，是西门子工业领域的重要组成部分。 siemens的wincc也是一套完备的组态开发环境，simens提供类c语言的脚本，包括一个调试环境。wincc内嵌opc支持，并可对分布式系统进行组态。通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的historian 系统作为it 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展 ；“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。wincc的结构较复杂，用户最好经过siemens的培训以掌握wincc的应用。（5）movicon：是意大利自动化软件供应商progea公司开发。该公司自1990年开始开发基于windows平台的自动化监控软件，可在同一开发平台完成不同运行环境的需要。特色之处在于完全基于xml，又集成了vba兼容的脚本语言及类似step-7指令表的软逻辑功能。（6）genesis 64：美国著名独立组态软件供应商，创立于1986年。在hmi/scada产品和管理可视化开发领域一直处于世界领先水平，iconics同时也是微软的金牌合作伙伴，其产品是建立在开放的工业标准之上的。2007年推出了业内首款集传统scada、3d、gis于一体的组态软件genesis 64。 genesis64 作为基于.net 64bit 平台全新设计的产品，为客户提供一个360 三维操作视景。产品功能特点： 三位一体：hmi/scada系统、三维 (3d)虚拟现实系统、和gis scada 统一在一个平台。 多维度集成：除过程数据外，支持视频、地理信息、管理数据、it/web信息集成。 高度模块化：支持界面展现、数据管理、报警管理等功能可选、按模块实施。 技术领先：原生64位应用、基于微软.net framework 4.0，基于wpf/wcf。 开放架构：基于soa，全面支持opc ua架构、移动、跨平台应用等。 产品线丰富：64位/32位hmi/scada， historian，opc/ua产品，生产智能和mes/ems软件。（7）组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。（8）forcecontrol(力控)：北京三维力控公司的forcecontrol(力控)也是国内较早就已经出现的组态软件之一。力控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行集成。（9）mcgs：由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发，分为通用版、嵌入版和网络版，其中嵌入版和网络版是在通用版的基础开发来的，在市场上主要是搭配硬件销售。（10）uscada免费组态软件 uscada是国内著名的免费组态软件，是专门为中小自动化企业提供的监控软件方案。uscada包括常用的组态软件功能，如画面组态，动画效果，通讯组态，设备组态，变量组态，实时报警，控制，历史报表，历史曲线，实时曲线，棒图，历史事件查询、脚本控制，网络等功能，可以满足一般的小型自动化监控系统的要求。软件的特点是小巧、高效、使用简单。uscada也向第三方提供软件源代码进行二次开发，但是源码需收费。2.2.4 组态软件的特点 组态（configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点：（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（plc、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的i/o driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制9。2.3 仿真平台技术 仿真软件（simulation software），专门用于仿真的计算机软件。它与仿真硬件同为仿真的技术工具。仿真软件是从50年代中期开始发展起来的。它的发展与仿真应用、算法、计算机和建模等技术的发展相辅相成。1984年出现了第一个以数据库为核心的仿真软件系统，此后又出现采用人工智能技术（专家系统）的仿真软件系统。这个发展趋势将使仿真软件具有更强、更灵活的功能、能面向更广泛的用户。目前比较风行的是虚拟现实仿真软件，比如虚拟现实仿真平台（vr-platform）10.基于组态软件的仿真系统实现的原理，在于plc内部各种继电器的状态与组态软件数据库中数据的链接以及该数据与计算机界面上图形对象的链接。因plc控制系统实际输出控制时，是通过输出继电器y和输出模块去驱动外部执行机构的。外界的控制信号和反馈信号通过输入继电器x进入plc内部。而在仿真运行状态时plc的输出模块与外界是断开的，输出(继电器y的)信号通过通信线只与组态软件数据库中的数据进行交换，而这些数据又与屏幕(界面)上显示的图形对象有关联。数据缓冲模块通信模块计算机基于组态软件的plc实验教学系统的仿真控件结构包括以下几个模块：通信模块、数据缓冲模块、命令控制模块、声音模块、画面图形模块和动画运行模块，如图2.2所示。 画面图形模块命令控制模块声音模块动画运行模块图2.2仿真控件结构 通信模块是连接plc和组态软件的纽带，与plc和组态软件的数据交换有着密切的联系。数据缓冲模块主要是用于存储和运行系统的程序，包括组态软件的程序和plc的程序。命令控制模块的作用是将程序运行后发出的各种指令正确的传达给plc和组态软件。在组态软件的设计中，当报警的时候就需要有声音的输出，声音模块的作用就在于此。画面图形模块的作用包括构建系统的界面和对动画连接的设置。动画运行模块的是对教学实验系统进行界面上的仿真，一方面以图形方式直观显示在计算机屏幕上，另一方面按照组态要求和指令将控制数据送给通信模块和数据缓冲模块，对执行机构实施控制或调整控制参数11。3 实验系统平台的构成及通信3.1 实验系统平台的构成s7-200 plc实验系统平台主要包括s7-200 plc，它由cpu226(i14/o10)和扩展模块em223(ai8/aq8)组成；装有wincc6.0组态软件、step7-micro/win4.0以及pc access v1.0的计算机；一根连接plc和计算机的pc/ppi电缆。其中s7-200plc安装在实验箱上，它的i/o端口通过导线连接到试验箱上的输入输出插孔，这样在实验过程中只要用连接导线连接plc的输入输出插孔和相应实验的输入输出插孔就可以完成实验硬件设备的连接。此实验系统主要是通过计算机上的wincc组态软件开发监控系统，计算机与plc之间通过pc/ppi电缆交换数据。但是wincc中并没集成ppi协议，也就是说wincc不能直接监控s7-200系列plc组成的控制系统。为了解决这个问题，我们只能通过opc方式来实现s7-200系列plc与wincc的通信12。这时我们需要s7-200 pc access这个桥梁连接wincc变量管理器的变量和plc的变量，因为pc access是西门子公司专门为s7-200plc开发的opc服务器，所以通过pc access s7-200plc就可以与任何opc客户端（包括以wincc为opc的客户端）通信。3.2 opc服务器的建立3.2.1 通信接口的设置安装s7-200pc access后，打开项目管理器。在其左边的树形图中鼠标右击microwin(com1)图标，新建plc并命名为plc1。设置pg/pc接口，选择pc/ppi cable，然后设置网络地址和波特率以及plc1的站地址。所有参数的设置要与micro/win4.0中的设置相同。3.2.2 opc服务器的建立在通信接口设置后便可以建立opc服务器。首先要在pc access中建立与plc内存地址相对应的项目13 ，即将实验过程中所用到的全部变量地址编入pc access中。s7-200 pc access软件本身带有测试客户机，可以方便地了解客户机与服务器的通信情况，将建立完的项目拖放至测试客户机窗口内14，单击测试客户机状态图标就可以测试客户机与服务器的连接情况。当连接正常时，它会给出提示好以及时间标识。3.3 基于wincc的s7-200实验平台系统开发 将wincc作为opc客户端，opc客户端通过opc接口访问s7-200 pc access服务器。只要将opc服务器中的项目添加到wincc的变量管理器中便可在组态中使用了14 。在wincc中创建opc客户端：（1）打开wincc项目管理器主界面，右击变量管理器，选择添加新的驱动程序选项，在弹出对话框中选择opc.chn，单击打开完成opc通道单元的建立。 （2） 右击刚刚建立的opc通道单元opc groups，选择系统参数，在弹出的对话框中单击前面的，系统会自动搜索出本地所有的opc服务器，单击s7200.opcserver，然后单击浏览服务器，在弹出的对话框中单击下一步，这时会弹出s7200opc服务器项目，单击s7200.opcserver前面的+，单击弹出的microwin前面的+，之后在单击弹出的plc1会在窗口右边出现opc服务器的全部变量，选择所需要的变量单击窗口下面的添加条目，如果没有建立opc变量的逻辑连接会弹出一个对话框，单击是系统会自动建立连接并命名为s7200_opcserver，单击确定完成opc客户端的创建15。4 基于组态软件的plc实验平台仿真实验4.1 刀具库选刀实验4.1.1 编写plc程序刀具库选刀实验的实验要求是对6把刀选取，按下刀具库扩展模块上的按钮n转盘转到相应的刀具n，其中1n6。所以i/o地址分配如表4.1所示，plc控制程序如图4.1所示。 表4.1 刀具库选刀实验i/o地址分配表 i/o地址 地址说明 i0.0选择道具1输入按钮 i0.1选择道具2输入按钮 i0.2选择道具3输入按钮 i0.3选择道具4输入按钮 i0.4选择道具5输入按钮 i0.5选择道具6输入按钮 i0.6刀位检测脉冲输入信号 q0.0刀位转盘通丶断控制 q0.1刀位转盘正丶反控制 图4.1 刀具库选刀plc程序4.1.2 组态画面 打开wincc图形编辑器，首先需要建立6把刀的模型，所有模型均在对象管理器或图形库中选择。同时需要一个返回到主画面的按钮，因为此试验系统每做完一个实验都要返回到主画面再进行其它实验。然后再添加6个静态文本和6个输入输出域作为刀具的编号和选择刀具号的输出，组态完的刀具库图形窗口如图4.2所示。 图4.2刀具库实验选刀组态画面4.1.3 对画面添加动态对画面添加动态首先要做两点分析：第一点是对动态要求的分析，它决定了我们要对画面中的图形组态什么样的动态；第二点是对plc控制程序的分析，它决定组态动态时所要连接的是那个变量。刀具库实验的动态要求是在刀具库实验模块上按选刀按钮n，组态画面上对应的刀具编号前面显示n，所选的刀具变为黄色并且向前伸出与1号刀同列。在plc的控制程序中将刀具的编号存储在vw0中，vw0就是传递参数的变量。经过上述分析应对画面中的输入输出域的输出值以及刀具颜色刀具x值，刀具夹紧件的x值进行动态链接，连接变量都为vw0。对与1号刀具有关的对象设置如图4.3所示。其它刀具的动态设置与其类同。 (a) (b) (c) 图4.3 与1号刀具相关对象相关属性设置(a) 1号刀具i/o域设置 (b) 1号刀相关对象x属性设置 (c) 1号刀具相关对象颜色属性设置4.1.4 激活wincc并运行plc测试组态画面将plc程序下载到plc并将刀具库实验模块连接好，点击wincc的运行按钮并将plc的开关拨到run位置。刀具库实验效果如图4.4所示。 (a) (b) 图4.4 刀具库选刀实验运行系统图 (a) 选择3号刀效果图 (b) 选择6号刀效果图4.2 反应罐自动控制系统4.2.1 编写plc程序 反应罐控制系统的控制要求有以下几点 （1）初始状态所有的阀门都被“闭阀” 状态 ，电动搅拌机为 “停止” 状态，反应罐罐体内为空。 （2）当程序启动时，左上角的 y1 阀门 “开阀” ，液体 从下限开始上涨至中限， 然后 y1阀门 “闭阀” 。 （3）液体到达中限后，右上角阀门 y2 开阀，液体从中限上涨至上限，然后 y2 阀门“闭阀” 。（4）液体到达上限 5 s 后，电动搅拌机m开始转动进行搅拌。（5