虛擬仿真被控對(duì)象在PLC實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

李繼芳， 許英杰， 鮑 平， 胡天林， 林 春

(廈門(mén)大學(xué) 航空航天學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361005)

虛擬仿真被控對(duì)象在PLC實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

李繼芳， 許英杰， 鮑 平， 胡天林， 林 春

(廈門(mén)大學(xué) 航空航天學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361005)

虛擬仿真被控對(duì)象基于Web3D、數(shù)學(xué)建模及通信接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可分為全虛擬仿真被控對(duì)象和半實(shí)物仿真被控對(duì)象兩類(lèi)。前者通過(guò)S7-ProSim接口與仿真PLC相連，構(gòu)建控制系統(tǒng)；后者基于硬件通信板卡連接至真實(shí)控制系統(tǒng)。兩類(lèi)對(duì)象的應(yīng)用可有效解決PLC實(shí)踐教學(xué)中設(shè)備昂貴、場(chǎng)地有限、設(shè)備維護(hù)成本高等問(wèn)題，完善控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，促進(jìn)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化、工程化，同時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放及學(xué)生創(chuàng)新的需求。

被控對(duì)象； 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 可編程邏輯控制器(PLC)； S7-ProSim

1 PLC實(shí)踐教學(xué)存在問(wèn)題

目前PLC實(shí)踐教學(xué)存在以下問(wèn)題。

(1) 采用單一的指令式、編程化教學(xué)模式，當(dāng)課程缺少實(shí)物PLC及被控對(duì)象時(shí)，教學(xué)容易陷入指令講解和枯燥的編程中，無(wú)法深入展示指令應(yīng)用、驗(yàn)證編程結(jié)果，更缺少硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)[1]。

(2) 實(shí)踐教學(xué)用的高端控制器及被控對(duì)象價(jià)格昂貴，生產(chǎn)線占地面積大，導(dǎo)致學(xué)校實(shí)踐資源種類(lèi)單一、設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足[2]，一些高危、高耗、體積龐大的對(duì)象更是無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。

(3) 對(duì)于復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如柔性生產(chǎn)線、化工反應(yīng)釜等，因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生在程序調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞，且故障設(shè)備的維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。

(4) PLC的應(yīng)用實(shí)為工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其流程涵蓋工藝分析、機(jī)械設(shè)計(jì)、器件選型、電氣圖紙?jiān)O(shè)計(jì)及接線、控制程序設(shè)計(jì)、監(jiān)控程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等過(guò)程，但目前PLC的實(shí)踐教學(xué)無(wú)法建立自動(dòng)控制系統(tǒng)完整設(shè)計(jì)流程[3]。

2 解決PLC實(shí)踐教學(xué)問(wèn)題的途徑

虛擬仿真技術(shù)是信息化、大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下的產(chǎn)物，開(kāi)辟了一種嶄新的實(shí)踐教學(xué)方式。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，將真實(shí)被控對(duì)象軟件化，研究被控對(duì)象與控制系統(tǒng)連接方式，使學(xué)生能夠搭建完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的全過(guò)程設(shè)計(jì)。將虛擬仿真被控對(duì)象應(yīng)用于教學(xué)，可以豐富實(shí)踐資源，完善控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工程化教學(xué)[4]，滿足學(xué)生創(chuàng)新以及開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的需求。

教育部在2013年批準(zhǔn)建設(shè)了100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，要求基于虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)一批實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)、高危、高耗的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐資源，擴(kuò)大資源共享，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[5-6]。通過(guò)提供種類(lèi)和內(nèi)容豐富的虛擬仿真被控對(duì)象，建立標(biāo)準(zhǔn)化、工程化的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，可為學(xué)生提供開(kāi)放式、創(chuàng)新性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。

3 虛擬仿真被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)方法

3.1 虛擬仿真被控對(duì)象的分類(lèi)

虛擬仿真被控對(duì)象基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、建模算法、3D引擎實(shí)現(xiàn)，根據(jù)對(duì)象與控制器信號(hào)接口的不同，可分為全虛擬仿真被控對(duì)象和半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象(見(jiàn)圖1)，二者構(gòu)建控制系統(tǒng)的方式有所不同。

3.2 虛擬仿真被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)方式

虛擬仿真被控對(duì)象要求能夠逼真地再現(xiàn)真實(shí)對(duì)象的外觀、結(jié)構(gòu)及場(chǎng)景，用戶能夠進(jìn)行觀察，甚至對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆裝；要求具有原始對(duì)象的功能及原理模型，對(duì)用戶的控制信號(hào)能夠快速反應(yīng)并展示響應(yīng)效果；能夠與控制器實(shí)現(xiàn)連接。

圖1 虛擬仿真被控對(duì)象分類(lèi)

為此，基于Web3D技術(shù)開(kāi)發(fā)了具有三維動(dòng)畫(huà)效果的虛擬仿真被控對(duì)象(見(jiàn)圖2)。在虛擬仿真平臺(tái)下，使用Web3D Editor編輯工具，針對(duì)對(duì)象各元素的外觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成圖形建模，針對(duì)對(duì)象各元素間工藝邏輯關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)[7]，例如傳送帶移動(dòng)將導(dǎo)致物料移動(dòng)、氣缸動(dòng)作、物料消失等。采用ATL技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬仿真對(duì)象中各元素COM組件的接口，并將其與第三方控制器輸入、輸出信號(hào)接口關(guān)聯(lián)。

圖2 虛擬仿真被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)原理示意圖

3.3 全虛擬仿真被控對(duì)象與PLC的交互

全虛擬仿真被控對(duì)象是指輸入、輸出信號(hào)接口虛擬化的一類(lèi)被控對(duì)象，要求第三方控制器具有仿真功能，并開(kāi)放信號(hào)接口，實(shí)現(xiàn)與被控對(duì)象的交互。西門(mén)子公司的S7-PLCSim仿真控制器能實(shí)現(xiàn)S7-300/400基礎(chǔ)程序的運(yùn)行仿真。S7-PLCSim提供有S7ProSim COM組件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)S7-PLCSim啟停操作以及I/O信號(hào)訪問(wèn)功能，可實(shí)現(xiàn)與虛擬仿真被控對(duì)象的信息交互[8]。

如圖3所示，仿真對(duì)象通過(guò)Web3D View組件實(shí)現(xiàn)智能互動(dòng)、拆裝及結(jié)構(gòu)展示。對(duì)某些具有工藝特性的對(duì)象獨(dú)立提供Compute組件實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)建模、仿真對(duì)象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在對(duì)象與控制器的接口間，開(kāi)辟了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化通信接口Adapter組件，實(shí)現(xiàn)第三方仿真控制器標(biāo)準(zhǔn)操作，且易于實(shí)現(xiàn)控制器變更。西門(mén)子S7-PLCSim的S7ProSim中提供有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)與被控對(duì)象的數(shù)據(jù)交互。

3.4 半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象與PLC的交互

半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象通過(guò)信號(hào)通信板卡，將被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)以標(biāo)準(zhǔn)電控信號(hào)形式提供給PLC I/O接口實(shí)現(xiàn)硬件連接[9]，學(xué)生在此環(huán)境下可以搭建真實(shí)控制系統(tǒng)。

信號(hào)通信板卡結(jié)構(gòu)如圖4所示。通信板卡以單片機(jī)為處理器；FPGA實(shí)現(xiàn)外圍硬件譯碼功能，定時(shí)刷新DI、DO、AI、AO信號(hào)；FIFO是FPGA向單片機(jī)主動(dòng)傳送數(shù)據(jù)的通道[10]。板卡中DI/DO采用并行操作方式，AI/AO采用多路通道片選、單路AD/DA采集及轉(zhuǎn)換的方式；單片機(jī)主動(dòng)操作FPGA間完成數(shù)據(jù)輸出刷新，通過(guò)硬件中斷獲取FIFO通道傳入數(shù)據(jù)，避免反復(fù)查詢(xún)；USB通信基于PDIUSBD12協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)單片機(jī)中USB協(xié)議，實(shí)現(xiàn)枚舉及數(shù)據(jù)收發(fā)功能。針對(duì)板卡設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，PC端作為主設(shè)備訪問(wèn)板卡從設(shè)備，虛擬仿真被控對(duì)象底層Adapter組件調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

圖3 全虛擬仿真被控對(duì)象與S7-PLCSim連接

圖4 半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)原理

4 虛擬仿真被控對(duì)象的教學(xué)應(yīng)用

4.1 全虛擬仿真被控對(duì)象的教學(xué)應(yīng)用

全虛擬仿真被控對(duì)象可與西門(mén)子S7-PLCSim連接，通過(guò)西門(mén)子官方PLC項(xiàng)目開(kāi)發(fā)軟件“博途”實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)。S7-PLCSim支持多種編程語(yǔ)言(LAD、FBD、STL、Graph、SCL)，支持控制器中絕大多數(shù)OB、FB、FC、DB的應(yīng)用，與真實(shí)控制器效果一致。如圖5所示,在虛擬仿真被控對(duì)象中集成了原理圖設(shè)計(jì)功能，學(xué)生可以進(jìn)行硬件原理圖接線；在“博途”平臺(tái)下，也可以將WinCC集成在項(xiàng)目中，通過(guò)PLCSim(TCP/IP)通信與仿真PLC連接，使人機(jī)界面在RunTime環(huán)境下仿真運(yùn)行，通過(guò)人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和操作[11]。

將全虛擬仿真被控對(duì)象整合于B/S架構(gòu)的平臺(tái)上，將TIA博途中S7-PLCSim和WinCC Professional中WinCC RunTime運(yùn)行于云端，建立被控對(duì)象與S7-PLCSim的數(shù)據(jù)聯(lián)系，便可以在有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的電腦上便捷地設(shè)計(jì)完整的控制系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)平臺(tái)與工程領(lǐng)域應(yīng)用保持高度一致。安全的應(yīng)用環(huán)境也使平臺(tái)能夠?qū)W(xué)生完全開(kāi)放，減少軟件安裝過(guò)程。但是，全虛擬仿真被控對(duì)象的應(yīng)用也存在對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)性強(qiáng)、模型數(shù)據(jù)量大、處理速度慢的問(wèn)題。

4.2 半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象教學(xué)應(yīng)用

采用半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象是要實(shí)現(xiàn)虛擬被控對(duì)象與真實(shí)控制系統(tǒng)的連接，滿足學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)側(cè)的真實(shí)、完整的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

(1) 提出控制系統(tǒng)解決方案，器件選型；

(2) 采用標(biāo)準(zhǔn)AtuoCAD Electrical、EPLAN軟件設(shè)計(jì)電氣圖紙，包括配電圖、信號(hào)接線圖、端子圖、布局圖；

(3) 在電控柜中完成實(shí)際安裝、接線、通電測(cè)試；

(4) 對(duì)PLC控制器進(jìn)行編程、調(diào)試，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)可設(shè)置集散控制及通信功能；

(5) 加入合適的人機(jī)界面(例如觸摸屏)完善系統(tǒng)監(jiān)控；

(6) 系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)整定。

應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖6所示。

半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象可滿足多類(lèi)控制器要求，使系統(tǒng)的構(gòu)建具有靈活性。通過(guò)完成硬件設(shè)計(jì)、接線工藝、調(diào)試過(guò)程，能夠引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐真實(shí)設(shè)備的制作及調(diào)試過(guò)程。

半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象的軟件實(shí)現(xiàn)方式多樣，但需要配置硬件平臺(tái)，在匹配合適的接口的情況下可兼容多類(lèi)控制器，但需在實(shí)驗(yàn)室單機(jī)版安裝，而且共享性較差。

4.3 虛擬仿真被控對(duì)象教學(xué)應(yīng)用的思考

在PLC的實(shí)踐教學(xué)中，被控對(duì)象的建設(shè)應(yīng)具有工程代表性，能體現(xiàn)明確的知識(shí)要點(diǎn)，例如多級(jí)傳送帶物流分揀(簡(jiǎn)單邏輯控制)、裝配流水線(順序流程)、電梯(調(diào)度算法)、鍋爐(PID控制)等。目前能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)高度仿真實(shí)現(xiàn)的被控對(duì)象主要為順序流程控制及過(guò)程控制兩類(lèi)對(duì)象，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)的對(duì)象，由于其對(duì)負(fù)載特性、響應(yīng)速度及驅(qū)動(dòng)器功能有復(fù)雜要求[12]，建設(shè)困難。

兩類(lèi)虛擬仿真被控對(duì)象各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)課程要求選取建設(shè)。建議復(fù)雜、大型被控對(duì)象采用半虛擬仿真的形式實(shí)現(xiàn)；而簡(jiǎn)單、小型的被控對(duì)象可建成全虛擬仿真的形式，可大規(guī)模共享，例如在配套實(shí)踐類(lèi)網(wǎng)絡(luò)課程及MOOC中使用。虛擬仿真被控對(duì)象是PLC實(shí)踐教學(xué)的一種補(bǔ)充解決方式，但不應(yīng)替代真實(shí)的被控對(duì)象。

圖6 半實(shí)物虛擬仿真被控對(duì)象應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

另外，在PLC的實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析，例如采用SFC、狀態(tài)圖描述任務(wù)；應(yīng)當(dāng)重視硬件電路設(shè)計(jì)，包括傳感器、執(zhí)行器選型，配電及保護(hù)設(shè)計(jì)，端子排和線標(biāo)工藝要求等；還應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指令的工程化應(yīng)用，例如輸入信號(hào)濾波、FB面向?qū)ο缶幊谭绞?、中斷使用等；?yīng)當(dāng)總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)工程的應(yīng)用功能，例如手動(dòng)控制、自動(dòng)控制，報(bào)警處理，權(quán)限控制等。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真被控對(duì)象的應(yīng)用，能夠解決目前實(shí)驗(yàn)室面臨的一些難題，完善控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，改進(jìn)PLC實(shí)踐教學(xué)的模式，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也為開(kāi)放、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)提供了平臺(tái)。但是虛擬仿真對(duì)象不能完全替代真實(shí)對(duì)象，在教學(xué)實(shí)踐中，兩者應(yīng)互為補(bǔ)充。

References)

[1] 林育茲．可編程序控制器基礎(chǔ)與邏輯控制[M]．北京：高等教育出版社，2015．

[2] 王惠莉．基于MCGS的仿真教學(xué)系統(tǒng)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(11)：274-275．

[3] 姜建芳．電氣控制與S7-300 PLC工程應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014．

[4] 劉星平．“PLC原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)改革探討[J]．湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2015，25(3)：106-109．

[5] 狄海廷，李耀翔，辛穎．虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室資源共享模式[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34(12)：148-151．

[6] 教育部高等教育司．關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z/OL]．(2013-08-21)[2017-03-01].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html．

[7] 喬丙立，姜建芳，徐慧．PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2015(1)：36-38．

[8] 鄧明鑒．PLC訓(xùn)練系統(tǒng)軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[D]．南京：南京理工大學(xué)，2008．

[9] 王嘯東．PLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與建設(shè)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(9)：210-213．

[10] 黃輝．PLC控制系統(tǒng)訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．南京：南京理工大學(xué)，2008．

[11] 賈茜茜．基于軟PLC技術(shù)的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．自動(dòng)化與儀器儀表，2016(2)：211-213．

[12] 黃文嘉．工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]．杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2014．

Research on application of virtual controlled object in PLC practical teaching

Li Jifang, Xu Yingjie, Bao Ping, Hu Tianlin, Lin Chun

(School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

The virtual simulation controlled object is based on Web3D, mathematical modeling and communication interface technology, which consists of two kinds of full virtual simulation and semi-physical simulation. To build the control system, the full virtual is connected with the simulative PLC(progrmmable logit controller) through the S7-ProSim and the semi-physical simulation is used with the real PLC through communication card. Two kinds of objects can effectively solve the problems of high equipment cost, limited space and high maintenance cost in PLC practical teaching, and can also improve the control system design process, and promote standard and engineering practical teaching, while meeting the demands of laboratory open-principle and students’ innovation.

controlled object; control system design; PLC(progrmmable logit controller); S7-ProSim

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.028

2017-03-09

李繼芳(1969—)，女，山東濰坊，博士，高級(jí)工程師，國(guó)家級(jí)機(jī)電類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心副主任，主要研究方向?yàn)樘摂M仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)和電氣控制技術(shù).

E-mail：lijf@xmu.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2017)06-0114-05