WinCC在“电气与PLC控制技术”课程教学中的应用

摘 要：随着工业自动化水平的迅速提高，PLC和组态仿真技术在工业控制领域中得到了广泛的应用。为了适应这一发展趋势，提高应用型本科院校的工程应用能力，在高校“电气与PLC控制技术”课程教学中，开展组态软件与PLC的教学十分必要。本文以工程机械产品泵车控制为例，介绍了德国西门子公司产品S7-300 PLC与上位机组态软件WinCC在教学中的应用。组态监控软件能较好地模拟现场生产实践情况，具有操作、报警、监控、存储、打印的功能，通过MPI、PROFIDS-DP、点对点等多种通讯方式，能与PLC实现通讯，并可以对现场设备进行状态及运动监控。WinCC具有人机界面友好，图库丰富，交互性强，性能稳定等优点。通过对该课程进行教学实践改革，有利于提高应用型本科学生的工程实践能力和技术创新能力。

关键词：PLC；WinCC；泵车控制系统；组态；工程实践

中图分类号：TP273-4；G642 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）02-0165-04

Abstract：With the rapid improvement of industrial automation level，PLC and configuration simulation technology have been widely used in the field of industrial control. In order to adapt to this trend and improve the engineering application ability of application-oriented undergraduate colleges，it is necessary to carry out the teaching of configuration software and PLC in the course of “Electrical and PLC Control Technology” in colleges and universities. In this paper，the application of S7-300 PLC and WinCC in teaching is introduced，taking the control of pump truck as an example. Configuration monitoring software can simulate the field production practice well，and has the functions of operation，alarm，monitoring，storage and printing. It can communicate with PLC through MPI，PROFIDS-DP，point-to-point and other communication modes，and can monitor the status and movement of field equipment. WinCC has the advantages of friendly man-machine interface，rich library，strong interactivity and stable performance. Through the teaching practice reform of this course，it is beneficial to improve the engineering practice ability and technological innovation ability of applied undergraduate students.

Keywords：PLC；WinCC；pump truck control system；configuration；engineering practice

0 引 言

“電气与PLC控制技术”具有很强的应用性和实践性，是自动化及其相关专业的专业核心课程。随着工业电气自动化技术的发展，自动化人才培养的要求也越来越高，特别是在学生工程应用能力培养方面，这对应用型本科院校来说，显得尤为重要。本课程根据自动化专业技术领域和职业岗位的任职要求并参考行业技术标准，改变了传统教学中学科体系结构模式的教学方法，进行了项目导向的理论与实践相结合的教学实践改革，将组态软件WinCC应用在该门课程中，控制工程机械产品。通过这样的方式，不但可以使学生更直观地理解产品的控制方式，而且还能应用仿真软件实现项目的设计及测试。通过教学模式改革，不但可以培养学生的PLC电气控制系统综合设计、安装与调试能力，而且还可以让学生学习人机接口HMI技术，从而提高其工程应用能力，为其就业技术应用打下良好的基础。

1 组态软件WinCC概述

组态软件的应用使工业控制的自动化程度大大提高。组态软件SIMATIC WinCC（Windows Control Center）是“人”与“机”互相交流信息的窗口，目前被广泛应用在各类工业控制设备中。WinCC将微软公司和西门子公司的技术完美结合，通过将各类画面通过交互形式进行切换与调用，使生产过程参数设置更加方便，图形可视化更为直观，并实现了对各种过程信息的实时监控，其具有功能强大、可靠性高、使用范围广的优点。它可以为用户提供界面友好的仿真操作环境，而且此操作环境比实际系统更具智能性和可扩展性。WinCC在工程中应用广泛，程序兼容性好，对于应用型本科高校开展教学十分必要。

2 西门子S7-300 PLC系统概述

随着人工智能技术的发展，PLC将成为工业生产自动化的四大技术之首。S7-300 PLC是德国西门子公司技术非常成熟的产品，在市场的应用非常广泛。采其用模块式结构，可以与触摸屏、WinCC实现上位机组态，也可以与S7-200 PLC和ET200联网实现对现场设备的控制。

2.1 系统硬件介绍

系统编程采用了西门子S7-300 PLC软件组态，与其匹配的硬件系统如图1所示。

（1）电源模块PS；

（2）中央处理器CPU包括以下五个部分：模式选择开关、状态与故障显示灯、存储器卡、MPI连接口、DP接口。中央处理器CPU的结构如图2所示；

（3）信号模块SM：1）数字输入模块DI；2）数字输出模块DO；

（4）功能模块FM；

（5）通讯模块CP。

2.2 系统软件介绍

STEP 7是德国西门子中型S7-300/S7-400 PLC以及ET200的编程软件，具有文件建档、硬件组态、程序编程、仿真调试、参数设置、通讯组态、启动和维护、运行和诊断等功能，是目前PLC编程软件中最优秀的软件。支持的编程语言有指令语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）三种基本编程语言，并且这三种语言在STEP 7之间可以相互转换。

2.3 S7-300 PLC系统介绍

S7-300 PLC是一种模块式结构，通过接电源模块PS307获得24V直流电，向CPU供电，CPU再通过背板U形总线将接口模块IM数字量输入信号模块DI、数字输出信号模块DO、通讯模块CP、功能模块FM以及其他供电模块。系统组成如图3所示。

3 WinCC在PLC教学中的应用

3.1 系统的组态仿真构想

对PLC控制对象的模拟是实现整个系统仿真的关键。组态软件通过组态技术，能够模仿实际控制系统中所有按钮、开关、传感器等输入量的动作变化，可以完成对工业现场各种被控设备的仿真模拟、图形监控，并且实时反映设备的运行状态。同时其也可以直接对PLC外部设备进行操作，形成仿真与实物两种控制方式。组态仿真软件运行方式与PLC相类似，采用周期性循环扫描的工作方式。

3.2 系统的构成与实现

利用西门子WinCC组态软件来仿真设计PLC控制系统，在计算机中编写好人机界面、利用图形界面中的按钮、开关来代替实际的按钮、开关，并模仿其动作，用图形来模拟实际的被控对象，通过计算机显示器来在线观察设备的运行情况，实现对被控对象的数据归档、报警记录、存储打印等控制过程及结果。图4是控制系统结构示意图。

上位机配置西门子公司S7-300 PLC编程软件Step-7及模拟仿真器PLCsim、组态软件WinCC，下位机采用西门子S7-300 PLC作为控制器。PLC与WinCC之间通过一条MPI通讯电缆相连接，完成上位机与PLC之间的数据通讯，并实时监控PLC的存储器、控制器及输人输出接口状态，以变量值的形式传输到计算机上并显示出来，此系统数据呈现直观，便于工作人员分析处理。

在项目教学中，学生通过上位机实时监控被控对象。被控对象不仅能够接受现场控制指令信号还能根据PLC内部程序运算结果，将其以文字图标、棒图、动画、曲线等形式在上位机显示器上显示出来，反映PLC的实际运行情况。通过这种方法可以提高学生的学习兴趣，增强学生对该专业技术的感性认识，加深其对该控制过程的理解，最终实现其工程应用能力的提高。

4 泵车控制系统仿真实例

4.1 控制要求

泵车的控制要求是：泵车设有电源信号指示灯，按下启动按钮，系统启动，信号灯亮；按下停止按钮，泵车瞬间断电，信号灯熄灭。

首先按下支腿伸按钮，支腿伸出运动，2秒后支腿固定不动。然后按下臂架升按钮，1-5节臂每隔2S钟顺序展开。操作完成后，按下臂架下降按钮，1-5节臂隔2S钟逆序收回。最后按支腿收按钮，支腿收回，2S后回到原位。

出于安全考虑，若支腿没有展开，则臂架不允许展开；臂架展开后，泵车支腿不允许收回，以免发生侧翻安全事故。

4.2 PLC控制系统设计

4.2.1 PLC硬件设计

系统中用到的硬件型号及数量见表1。

4.2.2 PLC软件设计

按照泵车控制要求设计的PLC软件设计流程如图5所示。

4.3 组态仿真画面

将PLC置于运行状态，进入WinCC运行环境。

初始状态下，电源指示灯为灰色，按下启动按钮，电源指示灯为红色。此时，按动画面中的各个启动按钮，系统就会按照程序设计顺序启动，相应设备指示灯依次变为红色。

按下停止按钮，各个指示灯熄灭，泵车停止动作。泵车控制系统组态仿真画面如图6所示。

5 结 论

为了提高PLC工程应用能力，在“电气与PLC控制技术”课程教学中引进在工程方面应用非常广泛的WinCC组态仿真技术，有效地解决了PLC课程实验中实际控制对象短缺的问题。另外，仿真控制对象图库丰富，开发简单，研制周期短，可塑性强，成本低，不需要维护，还可根据其运动规律制作动画、棒图，直观形象。通过画面监控，还可以查找故障点，缩短维修时间。通过仿真组态技术教学，可以使实验内容趣味化、多样化、功能化，并能激发学生学习兴趣，提高学生的动手能力，增加其工程实践经验，从而提高应用型本科高校的教学质量。

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作者简介：李德英（1968-），女，汉族，湖南娄底人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：自动化的科研与教学。