PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺的研究與應(yīng)用

陳新 李子樂 劉偉元 張揚(yáng)

[摘? ? ? ? ? ?要]? 針對PLC控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)課程中與工程實(shí)際場景脫節(jié)、調(diào)試和控制不方便等問題，設(shè)計(jì)了PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺。在對比目前PLC實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)平臺的基礎(chǔ)上，給出PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺的結(jié)構(gòu)和組成、工作和設(shè)計(jì)原理，并通過電梯控制系統(tǒng)實(shí)例說明了PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺的整個(gè)實(shí)訓(xùn)流程。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能緊密結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用案例，3D場景生動真實(shí)、豐富學(xué)生的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 虛實(shí)仿真;實(shí)訓(xùn)平臺;PLC;3D場景

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）32-0228-02

在PLC教學(xué)、實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)踐動手環(huán)節(jié)至關(guān)重要，針對不同工業(yè)應(yīng)用場景，學(xué)生必須編寫不同的程序并反復(fù)調(diào)試，最終學(xué)生才能真正掌握可編程控制器技術(shù)原理，所學(xué)的理論課程才能結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，因此PLC實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)在整個(gè)教學(xué)過程中具有非常重要的作用[1]。

針對各高校和職業(yè)院校對PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺的欠缺，本文設(shè)計(jì)了PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)。PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)是一款結(jié)合實(shí)物PLC、實(shí)物控制對象和虛擬仿真控制對象為一體的PLC綜合實(shí)訓(xùn)平臺。該實(shí)訓(xùn)平臺是結(jié)合了虛擬技術(shù)、PLC硬件在環(huán)、PLC和電腦通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)于一體的高科技實(shí)訓(xùn)設(shè)備。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)備的編程緊密結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用案例，能有效訓(xùn)練使用者的工程素養(yǎng);設(shè)備具有體積小、編程案例多、使用維護(hù)方便、低損耗、教學(xué)生動有趣等多種特點(diǎn)。

一、PLC實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)平臺現(xiàn)狀

目前PLC可編程控制器的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的實(shí)現(xiàn)方法主要包括如下幾種。

（一）可編程控制器實(shí)驗(yàn)箱

實(shí)驗(yàn)箱將實(shí)驗(yàn)?zāi)K集中在一塊板上，通過實(shí)驗(yàn)箱上的LED、按鍵、電機(jī)等驗(yàn)證PLC的相關(guān)指令和相關(guān)簡單實(shí)驗(yàn)。

（二）PLC可編程控制器實(shí)訓(xùn)設(shè)備

PLC可編程控制器實(shí)訓(xùn)設(shè)備可以看成可編程控制器實(shí)驗(yàn)箱的升級版本，實(shí)訓(xùn)設(shè)備配套的配件和元件更多，更加接近實(shí)際應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)更多的指令和相對復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

（三）PLC可編程控制器單獨(dú)實(shí)訓(xùn)模型

通過模擬實(shí)際場景，如交通燈、立體車庫甚至是整條生產(chǎn)流水線，更加形象化地給學(xué)生展示現(xiàn)場實(shí)際情況。但是單獨(dú)實(shí)訓(xùn)模型造價(jià)高，使用率低，僅適用單獨(dú)實(shí)驗(yàn)。

（四）PLC可編程控制器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

PLC與組態(tài)軟件[2-5]、NI虛擬儀器的PLC仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。另外還包括虛擬調(diào)試與概念設(shè)計(jì)并行的NX MCD[6-7]系統(tǒng)、工業(yè)現(xiàn)場仿真設(shè)計(jì)軟件Factory IO和PLC編程軟件TIA Portal[8-9]實(shí)現(xiàn)虛擬仿真功能。

傳統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)一直存在以下幾個(gè)問題：（1）硬件、軟件支持及更新不夠，造成教材內(nèi)容和學(xué)校PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備脫節(jié)，而PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備的更新和升級需要大量資金。（2）PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備與工業(yè)自動化PLC控制實(shí)際需求與場景等相差太遠(yuǎn)。導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)的針對性不強(qiáng)，培養(yǎng)出的學(xué)生不能滿足實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)和編程、調(diào)試的需要。（3）PLC是一門綜合性課程，其控制包括機(jī)、電、液、氣等的綜合控制，一般的高校現(xiàn)有條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以滿足實(shí)驗(yàn)課程及實(shí)際操作的實(shí)際場景和現(xiàn)場調(diào)試需求。（4）采用組態(tài)、NX MCD、FACTORY I/O和TIA Portal等虛擬仿真軟件則不僅需要較長時(shí)間熟悉軟件，一個(gè)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目還需要大量課時(shí)。

二、平臺組成及工作原理

PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺系統(tǒng)是一款結(jié)合實(shí)物PLC、實(shí)物控制對象和虛擬仿真控制對象為一體的PLC綜合實(shí)訓(xùn)平臺。該系統(tǒng)是集眾多高科技技術(shù)于一體的高科技實(shí)訓(xùn)設(shè)備;實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺的編程范例緊密結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用案例，可有效訓(xùn)練和提高使用者的工程素養(yǎng);設(shè)備具有體積小、編程案例多、使用維護(hù)方便、低損耗、教學(xué)生動有趣等多種特點(diǎn)。

如圖1所示，S7-200 SMART的CPU中帶有兩個(gè)通訊口，一個(gè)是以太網(wǎng)口，一個(gè)是RS485 接口。以太網(wǎng)可以用來下載程序，同上位機(jī)通訊，與西門子其他系列PLC進(jìn)行相互通訊。RS485口為自由通訊口，支持PPI、Modbus協(xié)議。PPI（point to point interface）是一種點(diǎn)對點(diǎn)接口通訊協(xié)議，PPI通訊協(xié)議進(jìn)行通信時(shí)，PLC可以不用編程，而且可讀寫所有數(shù)據(jù)區(qū)。S7-200 SMART程序運(yùn)行時(shí)相關(guān)寄存器、存儲器等也隨之變化并且讀取和驅(qū)動相關(guān)I/O接口等驅(qū)動和讀取外部設(shè)備，如驅(qū)動電機(jī)和指示燈等、讀取按鍵狀態(tài)等。

電腦端通過USB-PPI通信電纜與S7-200 SMART進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如通過PPI通信協(xié)議來讀取PLC所有儲存器及I/O接口的相關(guān)狀態(tài)，電腦讀取到PLC儲存器及I/O接口的相關(guān)狀態(tài)后進(jìn)行判斷并在3D場景中進(jìn)行相關(guān)的動作。同時(shí)，如果電腦端3D虛擬場景中的虛擬按鍵、接近開關(guān)等狀態(tài)如果發(fā)生變化，電腦端通過USB-PPI通信電纜通過特定的通信協(xié)議發(fā)送給S7-200 SMART。PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺的實(shí)現(xiàn)方法類似于組態(tài)等軟件的實(shí)現(xiàn)方法，但是電腦端3D場景采用了Unity 3D軟件，實(shí)訓(xùn)平臺的3D場景更加貼近實(shí)際應(yīng)用，用戶體驗(yàn)和交換更加舒服和方便。

三、實(shí)驗(yàn)流程

以最常見的交通燈控制虛實(shí)仿真項(xiàng)目為例說明實(shí)驗(yàn)過程，將S7-200 SMART控制器接好電源、網(wǎng)線、PPI電纜，如果有需求的話可以連接外部LED等、按鍵和指示燈等實(shí)物。打開仿真軟件顯示相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如圖2所示，目前實(shí)現(xiàn)的3D虛實(shí)仿真項(xiàng)目有：電機(jī)順序啟動、電機(jī)星三角啟動、交通信號燈、電梯、步進(jìn)電機(jī)、軌道運(yùn)料車。

打開編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART，根據(jù)硬件進(jìn)行編程并將編譯好的PLC程序通過網(wǎng)線下載到控制器中。

確定PPI線纜與S7-200 SMART控制器通信正常，點(diǎn)擊編程軟件中的運(yùn)行按鍵，如果程序正確通過3D場景看到對應(yīng)的交通燈狀態(tài)，同時(shí)也能通過S7-200 SMART上的指示燈看到I/O狀態(tài)，如果該I/O口連接有相關(guān)輸出硬件也可以看到相關(guān)的動作。同時(shí)通過鼠標(biāo)或者顯示器觸摸屏能實(shí)現(xiàn)3D場景的變換，方便用戶觀看和使用。

通過PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺顯示與利用西門子觸摸屏實(shí)現(xiàn)的交通燈組態(tài)顯示比較，PLC虛實(shí)仿真平臺顯示的場景更加真實(shí)、生動。

四、結(jié)語

虛擬3D動態(tài)場景和人機(jī)交互模擬真實(shí)場景，具有直觀和生動的特點(diǎn)。利用虛擬3D技術(shù)展示實(shí)物場景，讓枯燥的工業(yè)場景和控制實(shí)物展示在學(xué)生面前。這種方式可增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使原本很枯燥的學(xué)習(xí)變得生動起來，讓PLC的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3D互動展示，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果，使學(xué)生激發(fā)興趣并從真正意義上掌握這門應(yīng)用技術(shù)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊嘉鵬，胡兵，魏成偉，等.基于應(yīng)用型本科的工廠電氣控制及PLC課程重建[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（3）：24-26，37.

[2]王超.基于組態(tài)軟件的PLC虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（1）：138-141.

[3]王成剛，李建海，楊帆.基于組態(tài)技術(shù)的PLC虛擬控制系統(tǒng)研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2018，37（7）：82-84.

[4]申慶歡.基于組態(tài)軟件的電氣控制實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].錦州：渤海大學(xué)，2016.

[5]李奎.基于組態(tài)軟件的PLC實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].科技信息，2012（3）：181-182.

[6]鄭魁敬，代方園，廉磊.基于NX MCD的機(jī)器人磨削系統(tǒng)虛擬調(diào)試[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2019（12）：57-60，64.

[7]戴春祥，王俊杰，秦榮康.基于NX MCD的對運(yùn)動物體位姿測量方法的研究[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2018，45（3）：4-6，9.

[8]練志堅(jiān).基于TIA Portal的在線懸浮粒子監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2018，8（9）：76-78.

[9]史強(qiáng).基于TIA Portal平臺汽車制造業(yè)的自動化標(biāo)準(zhǔn)SiCar[J].電工技術(shù)，2018（10）：93-96.

◎編輯 張 俐