組態(tài)軟件WinCC與S7_PLCSIM在汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

王文樂，李鵬杰，劉文東，嚴(yán)陳

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇淮安223005）

組態(tài)軟件WinCC與S7_PLCSIM在汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

王文樂，李鵬杰，劉文東，嚴(yán)陳

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇淮安223005）

針對(duì)汽車專業(yè)模塊化教學(xué)過程中缺少能夠?qū)⑵囘\(yùn)行過程中各大組成系統(tǒng)之間相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來的一種有效的教學(xué)工具的問題，結(jié)合PLC在過程控制中的作用，借助西門子S7_PLCSIM仿真軟件編制PLC控制程序，并通過WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，開發(fā)了一套仿真輔助教學(xué)軟件工具。應(yīng)用結(jié)果表明:利用該軟件工具輔助汽車課程的教學(xué)，能夠極大地豐富教學(xué)內(nèi)容和增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)性，從而取得較好的教學(xué)效果。

汽車教學(xué)；模塊化；PLC控制；組態(tài)軟件；仿真

0　引言

隨著汽車工業(yè)和汽車消費(fèi)市場(chǎng)的迅速成長(zhǎng)，我國已經(jīng)成為世界第一大汽車生產(chǎn)國和第一大汽車消費(fèi)市場(chǎng)，2012年全國汽車產(chǎn)銷量都超過1900萬輛，連續(xù)3年蟬聯(lián)世界第一，再次創(chuàng)造了新的汽車產(chǎn)銷量世界紀(jì)錄。隨著社會(huì)汽車保有量的快速上升，市場(chǎng)對(duì)于汽車后市場(chǎng)服務(wù)人才的需要也愈發(fā)強(qiáng)烈［1］。同樣，針對(duì)當(dāng)前汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車教學(xué)如何能夠跟上時(shí)代的步伐，努力提高教學(xué)實(shí)效性，以為國家培養(yǎng)出更多高技術(shù)、高水平的汽車后市場(chǎng)技術(shù)服務(wù)人才也成為當(dāng)務(wù)之急［2］。為了更好地提高教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)教學(xué)效果，現(xiàn)階段大多高職院校在汽車專業(yè)類課程的教學(xué)過程中都采用模塊化教學(xué)模式。模塊化教學(xué)是在實(shí)際教學(xué)過程中，將教學(xué)內(nèi)容按照教學(xué)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行有機(jī)劃分，分模塊循序漸進(jìn)地展開的一種教學(xué)活動(dòng)。以 《汽車構(gòu)造》課程為例，實(shí)際教學(xué)過程中根據(jù)汽車整車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先將整個(gè)教學(xué)內(nèi)容劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身及電氣設(shè)備4個(gè)大模塊，在每一模塊下面例如發(fā)動(dòng)機(jī)模塊又根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī) “兩大機(jī)構(gòu)、五大系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)劃分為7個(gè)小模塊，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，相關(guān)內(nèi)容有機(jī)穿插、相互滲透。模塊化教學(xué)模式再結(jié)合多種教學(xué)手段以及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備輔助，確實(shí)在一定程度上改進(jìn)了教學(xué)效果。因此，模塊化教學(xué)方式以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在汽車類專業(yè)課程教學(xué)當(dāng)中占了相當(dāng)?shù)牡匚唬?］。

由于模塊化教學(xué)方式的 “模塊化”特點(diǎn)，結(jié)合汽車專業(yè)是以整車作為研究對(duì)象的特點(diǎn)，作者認(rèn)識(shí)到即使在教學(xué)過程當(dāng)中將模塊劃分得再具體、再細(xì)，最終也需要深入分析各個(gè)模塊之間的內(nèi)在聯(lián)系，將之整合為一個(gè)有機(jī)的整體，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程及各模塊之間相互配合情況進(jìn)行詳細(xì)說明。結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)在汽車專業(yè)類教學(xué)過程中已取得的實(shí)際效果，針對(duì)汽車專業(yè)模塊化教學(xué)過程中缺少能夠?qū)⑵囘\(yùn)行過程中各大組成系統(tǒng)之間相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來的一種有效的教學(xué)工具的問題，借助西門子S7_PLCSIM仿真軟件編制PLC控制程序，并通過WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，開發(fā)了一套輔助教學(xué)軟件工具。

1　仿真系統(tǒng)組成

仿真系統(tǒng)控制器采用西門子S7-200系列PLC。西門子S7-200系列PLC是小型PLC，但功能非常強(qiáng)大。在緊湊的封裝中集成了微處理器、集成電源、數(shù)字I/0、通信接口等部件。目前，雖然在大型的工業(yè)自動(dòng)化控制過程中，已經(jīng)采用了中、高性能的S7-300、S7-400系列，但由于S7-200本身所具有的功能強(qiáng)、價(jià)格低廉、可靠性高、使用方便等特點(diǎn)，仍然被廣泛應(yīng)用于小型工業(yè)自動(dòng)化控制及教學(xué)過程中［4］。

組態(tài)軟件采用WinCC軟件，它是SIEMENS與Microsoft公司合作開發(fā)的、開放的過程可視化系統(tǒng)，是SIMATIC全集成自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，該軟件提供了良好的人機(jī)界面，具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)仿真功能，能夠真實(shí)模擬實(shí)物的動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果。同時(shí)還具有延續(xù)性和可擴(kuò)充性的特點(diǎn)，可以不須做很多修改而方便地完成軟件的更新和升級(jí)。除了在工業(yè)控制領(lǐng)域外，在科研和教學(xué)領(lǐng)域內(nèi)也有著越來越廣泛的應(yīng)用［5］。

整個(gè)仿真系統(tǒng)采用一臺(tái)安裝了WinCC V6.0軟件與西門子編程軟件STEP7-MicroWIN V4.0 SP3的普通PC機(jī)作為上位機(jī)，利用現(xiàn)有的應(yīng)用于PLC電氣控制課程的教學(xué)設(shè)備即西門子S7-200 PLC作為下位機(jī)，組成上位機(jī)+下位機(jī)的構(gòu)成方式。上位機(jī)與下位機(jī)的通信采用PROFIBUS總線傳輸。WinCC組態(tài)軟件通過通信接口監(jiān)控PLC所有存儲(chǔ)器及I/O接口的狀態(tài)［6］。

2　仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念及實(shí)現(xiàn)

要提高學(xué)生的興趣，增進(jìn)課堂的教學(xué)效果，關(guān)鍵在于如何利用好WinCC軟件。該仿真系統(tǒng)將汽車運(yùn)行的整個(gè)過程看作控制對(duì)象，利用PLC對(duì)其進(jìn)行控制，課堂演示時(shí)該控制過程可以在后臺(tái)進(jìn)行。主要是利用WinCC組態(tài)軟件按照汽車組成的各大系統(tǒng)或模塊設(shè)計(jì)多個(gè)子界面仿真汽車運(yùn)行過程中各大系統(tǒng)及模塊的工作過程、信息狀態(tài)變化，以配合模塊化教學(xué)模式下的課堂教學(xué)。除此之外還要設(shè)計(jì)一個(gè)最終能夠?qū)⒏鞔笙到y(tǒng)或模塊整合在一起的 “整車”界面，使其能夠動(dòng)態(tài)顯示汽車運(yùn)行過程當(dāng)中各大系統(tǒng)或模塊之間相互配合及協(xié)作的過程，幫助學(xué)生加深對(duì)整車運(yùn)行過程中各個(gè)部件所發(fā)揮的具體作用的理解。仿真系統(tǒng)具體實(shí)施過程如下：

（1）在SIMTIC管理器中生成項(xiàng)目，編寫PLC控制程序；

（2）設(shè)置PG/PC接口，將控制程序下載到PLC；

（3）在WinCC管理器中生成項(xiàng)目，編輯反映汽車運(yùn)行過程各個(gè)系統(tǒng)相互配合的監(jiān)控畫面；

（4）通過組態(tài)變量的方式，建立 WinCC與 PLC的通信連接；

（5）運(yùn)行整個(gè)項(xiàng)目，觀看控制效果［6］。

3　應(yīng)用實(shí)例

下面以簡(jiǎn)單的汽車起動(dòng)機(jī)從靜止到運(yùn)行過程為例來說明組態(tài)仿真軟件在汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用。

3.1控制要求分析

汽車起動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

PLC的控制順序如下所示：

（1）要求汽車位于空擋的時(shí)候，當(dāng)將汽車鑰匙插入鑰匙孔并將點(diǎn)火開關(guān)旋轉(zhuǎn)到起動(dòng)擋位的時(shí)候，起動(dòng)繼電器線圈得電；

（2）起動(dòng)繼電器線圈得電后，產(chǎn)生磁場(chǎng)吸力，將起動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)吸合，有電流流過起動(dòng)機(jī)控制機(jī)構(gòu)上的保持線圈與吸引線圈，并產(chǎn)生磁場(chǎng)力，使得可推出小齒輪的撥叉在磁場(chǎng)力的作用下向左運(yùn)動(dòng)的同時(shí)將觸點(diǎn)30與50接通，從而使起動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)線圈得電，起動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行；

（3）起動(dòng)機(jī)運(yùn)行短時(shí)間內(nèi)，吸引線圈被短路，靠保持線圈電流維持起動(dòng)機(jī)小齒輪驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行后，松開汽車鑰匙，點(diǎn)火開關(guān)恢復(fù)到點(diǎn)火擋，此時(shí)，起動(dòng)開關(guān)斷開，起動(dòng)繼電器線路斷電，吸引，保持線圈電流相反，起動(dòng)機(jī)停止工作。

3.2編寫控制程序

根據(jù)控制要求確定PLC的I/0點(diǎn)個(gè)數(shù)，選擇PLC機(jī)型，進(jìn)行I/0點(diǎn)地址分配和 PLC程序設(shè)計(jì)，其程序流程圖如圖 2所示。

在STEP7中創(chuàng)建項(xiàng)目、組態(tài)硬件、設(shè)置CPU參數(shù)，并可以靈活運(yùn)用梯形圖和語句表兩種語言來編寫程序代碼，如圖3所示。

程序輸入完畢后，因?yàn)槭且诶碚撜n上進(jìn)行演示，所以通過PLC仿真來實(shí)現(xiàn)。打開PG/PC接口對(duì)話框，選用PLCSIM（MPI）接口，然后在SIMATIC管理器中下載所有程序塊到仿真PLC，在PLCSIM中創(chuàng)建所需監(jiān)控的視圖對(duì)象。

3.3畫面設(shè)計(jì)與組態(tài)

啟動(dòng)WinCC并創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，進(jìn)行通信連接與外部變量定義后，打開 “圖形編輯器”，設(shè)計(jì)汽車起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程監(jiān)控畫面，如圖4所示，能夠直觀、動(dòng)態(tài)、形象地顯示汽車起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停止過程。

3.4項(xiàng)目運(yùn)行

在完成以上操作后，在仿真 PLC窗口中，運(yùn)行 PLC的CPU，然后激活WinCC項(xiàng)目，可以通過設(shè)置畫面中的點(diǎn)火開關(guān)的狀態(tài)來控制起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停止。

4　結(jié)束語

在該仿真軟件中，利用WinCC組態(tài)軟件提供的良好的人機(jī)界面和利用S7-200作為控制器以及利用STEP7-MicroWIN V4.0 SP3軟件編寫PLC控制程序，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車整車運(yùn)行過程的控制和對(duì)各大系統(tǒng)工作過程的動(dòng)態(tài)仿真監(jiān)控。教學(xué)過程中，通過該軟件的演示，學(xué)生可以直觀監(jiān)控汽車整車運(yùn)行過程，可以直觀地認(rèn)識(shí)到汽車的每一個(gè)部件在汽車整車正常運(yùn)行過程中所起到的不可忽視的作用，極大地加深了學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而進(jìn)一步提高了教學(xué)效果。

【1】石昊昱，韋峰.計(jì)算機(jī)模擬仿真提高汽車專業(yè)教學(xué)實(shí)效性研究［J］.昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2013，29（5）:77-81.

【2】陳迪超，余華新.PLC控制4A發(fā)動(dòng)機(jī)故障試驗(yàn)臺(tái)的研究［J］.汽車電器，2010（1）:42-44.

【3】贠海濤，趙玉蘭.模塊化教學(xué)在汽車類專業(yè)主干課程中的實(shí)踐探索［J］.大學(xué)教育，2014（2）:77-78.

【4】梁強(qiáng).西門子PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2011.

【5】梅奕，王慧芬.基于WinCC的電氣控制技術(shù)課程輔助教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（36）:22-23.

【6】許仙珍，單長(zhǎng)考.組態(tài)軟件WinCC與S7-PLCSIM在PLC教學(xué)中的應(yīng)用［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，26（10）: 104-107.

Application of WinCC and S7_PLCSIM in the Teaching Process of Automotive Profession

WANG Wenle，LI Pengjie，LIU Wendong，YAN Chen（Mechanical and Electronic Engineering Department，Jiangsu Food&Pharmaceutical Science College，Huaian Jiangsu 223005，China）

In the teaching process of automotive profession，an effective teaching tool is lacked which can link together all of the independent motions in the process of car running into a union.Aiming at the problem，combining with the role of PLC played in the process control，Siemens S7_PLCSIM simulation software was used to white the control program，the configuration software WinCC was used to design the interface，a set of software tools for simulation of auxiliary teaching was developed.The application results show that the use of the software tool for automobile course teaching，can greatly enrich the teaching content，enhance the classroom activities teaching，so as to achieve better teaching effect.

Automotive teaching；Modularization；PLC control；Configuration software；Simulation

2015-05-08

王文樂（1981—），女，博士，工程師，研究方向?yàn)椴牧?、汽車。E-mail:feixue0907@163.com。