基于博途軟件的PLC虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉文秀，彭昕昀，韓竺秦，王杏進(jìn)

（韶關(guān)學(xué)院智能工程學(xué)院，韶關(guān) 512005）

0 引言

進(jìn)入新時(shí)代，我國(guó)為滿(mǎn)足人民美好生活需求，急需推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，因此，許多加工制造業(yè)面臨升級(jí)改造?？删幊炭刂破鳎≒LC）控制技術(shù)在鋼鐵、石化、電子信息、汽車(chē)生產(chǎn)等智能制造領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，且隨著控制技術(shù)的發(fā)展，PLC 控制技術(shù)慢慢覆蓋了更多領(lǐng)域。為向社會(huì)培養(yǎng)高質(zhì)量的技能人才，增強(qiáng)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，高等院校開(kāi)設(shè)PLC 教學(xué)課程顯得更加重要。

在PLC 教學(xué)過(guò)程中，實(shí)踐操作是非常重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)踐操作可以有效地加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。但在傳統(tǒng)的PLC 實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生只是針對(duì)學(xué)校現(xiàn)有PLC 實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)訓(xùn)臺(tái)等設(shè)備進(jìn)行硬件接線(xiàn)，完成程序的編寫(xiě)及調(diào)試，在此過(guò)程中學(xué)生對(duì)PLC 性能及應(yīng)用理解得不夠透徹。同時(shí)，借助硬件條件進(jìn)行教學(xué)，教師的教學(xué)靈活性不足。實(shí)際的物理模型體積大、價(jià)格昂貴，在辦學(xué)經(jīng)費(fèi)有限的情況下，搭建實(shí)際的物理模型非常不現(xiàn)實(shí)。

另外，當(dāng)前的大學(xué)生大部分是零零后，他們是在信息化環(huán)境下成長(zhǎng)起來(lái)的一代。在成長(zhǎng)的過(guò)程中，這些學(xué)生已經(jīng)具備了充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源獲取知識(shí)的能力。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式采用定時(shí)、定內(nèi)容、定條件的方式，不再適用于當(dāng)代大學(xué)生。為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，必然要轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以滿(mǎn)足新時(shí)代大學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)家信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容。為解決實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足等問(wèn)題，在PLC 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，采用虛擬仿真技術(shù)，以服務(wù)教學(xué)為目的，遵循“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”的要求，將知識(shí)點(diǎn)由抽象轉(zhuǎn)為具體、變枯燥為生動(dòng)，讓學(xué)生帶著興趣學(xué)習(xí)，通過(guò)虛擬仿真來(lái)緩解硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足的問(wèn)題。學(xué)生也可以隨時(shí)隨地開(kāi)展學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)效果直觀，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。對(duì)教師來(lái)說(shuō)，豐富了教學(xué)形式，在理論教學(xué)的同時(shí)，在平臺(tái)上做模擬仿真，通過(guò)對(duì)直觀的結(jié)果展開(kāi)分析，活躍了教學(xué)氣氛，拓寬了教學(xué)內(nèi)容。

1 博途軟件介紹

傳統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，編輯PLC 程序、編輯HMI 控制界面，配置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（例如變頻器）還需要一款軟件，而各部分需要緊密聯(lián)系才能構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)。如果能使用一款軟件完成上述所有的工作，將更有益于整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建工作。西門(mén)子公司的TIA 博途軟件就能夠?qū)崿F(xiàn)上述的所有功能。

2010 年，西門(mén)子公司發(fā)布了TIA 博途軟件（V10 版本），成為業(yè)內(nèi)首個(gè)全集成自動(dòng)化概念下的自動(dòng)化軟件，其采用統(tǒng)一工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境，適用于所有的自動(dòng)化任務(wù)，用戶(hù)能夠快速、直觀地開(kāi)發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)。博途軟件采用新型、統(tǒng)一的軟件框架，可在同一開(kāi)發(fā)環(huán)境中組態(tài)西門(mén)子可編程控制器、人機(jī)界面和驅(qū)動(dòng)裝置，各種數(shù)據(jù)的共享也大大降低了連接和組態(tài)成本。

2 PLC實(shí)驗(yàn)課程虛擬仿真教學(xué)過(guò)程

PLC 課程組教師充分利用韶關(guān)學(xué)院軟硬件條件，搭建虛擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)PLC 實(shí)驗(yàn)課程虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)實(shí)現(xiàn)了在空間和時(shí)間上的廣泛共享。在教學(xué)的過(guò)程中，教師根據(jù)具體情況，將知識(shí)點(diǎn)采用通俗易懂、深入淺出的方式教授給學(xué)生，使學(xué)生易于接受教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在教學(xué)過(guò)程中利用西門(mén)子博途軟件，結(jié)合實(shí)際工程案例，生動(dòng)形象地把課程知識(shí)點(diǎn)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合起來(lái)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

利用博途軟件構(gòu)建PLC 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。在此系統(tǒng)中，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的I/O 分配、仿真動(dòng)畫(huà)變量的設(shè)置、梯形圖的編寫(xiě)及虛擬仿真調(diào)試、HMI 組態(tài)界面的設(shè)置及組態(tài)動(dòng)畫(huà)程序的編寫(xiě)及仿真調(diào)試等。學(xué)生依據(jù)控制系統(tǒng)的控制功能要求，不斷地修改及完善控制系統(tǒng)程序和運(yùn)行調(diào)試程序，直到滿(mǎn)足控制要求。在此過(guò)程中學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到了很好的鍛煉，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力也得到了提高。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3 虛擬仿真案例建設(shè)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的要求，課程組教師采用項(xiàng)目教學(xué)的方法，針對(duì)教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的工程案例實(shí)施虛擬仿真設(shè)計(jì)。下面以自動(dòng)往返小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制為例，說(shuō)明實(shí)施仿真教學(xué)的過(guò)程。

3.1 基礎(chǔ)理論講解

依據(jù)實(shí)際的工程案例，根據(jù)具體的控制工藝要求，首先要學(xué)生明確系統(tǒng)的控制過(guò)程中哪些是PLC 的輸入信號(hào)，哪些是PLC 的輸出信號(hào)，并合理地分配PLC 的輸入輸出點(diǎn)。PLC 常見(jiàn)的輸入輸出端子信號(hào)如圖3所示。

圖3 常見(jiàn)的PLC輸入輸出端子信號(hào)

自動(dòng)往返小車(chē)的控制仿真案例如圖4 所示?？刂埔螅喊聪抡D(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕小車(chē)右行，按下反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕小車(chē)左行，要求小車(chē)在左、右限位開(kāi)關(guān)之間不停地循環(huán)往返，直到按下停車(chē)按鈕小車(chē)停止運(yùn)行。

圖4 自動(dòng)往返小車(chē)的控制示意圖

3.2 系統(tǒng)I/O分配及變量的設(shè)置

依據(jù)自動(dòng)往返小車(chē)的控制要求，分配6個(gè)輸入點(diǎn)，2個(gè)輸出點(diǎn)。在博途軟件下編輯PLC 變量表如圖5所示。為后續(xù)電機(jī)動(dòng)畫(huà)定義一個(gè)整形變量“電機(jī)動(dòng)畫(huà)”。

圖5 PLC變量表

3.3 梯形圖程序的編寫(xiě)及仿真調(diào)試

由于用到HMI 界面仿真調(diào)試，在HMI 界面設(shè)置正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕和反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，因此編寫(xiě)梯形圖時(shí)系統(tǒng)的兩個(gè)啟動(dòng)按鈕直接使用輔助繼電器M。梯形圖程序如圖6 所示。在博途軟件下，啟動(dòng)PLC仿真實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)試。

圖6 梯形圖程序

3.4 HMI動(dòng)畫(huà)界面的設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

在HMI 動(dòng)畫(huà)界面依次繪制按鈕、指示燈、限位開(kāi)關(guān)、正轉(zhuǎn)指示燈、反轉(zhuǎn)指示燈、小車(chē)等，如圖7所示。其中按鈕、指示燈、限位開(kāi)關(guān)等與PLC 的變量相關(guān)聯(lián)。正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕關(guān)聯(lián)變量如圖8所示。指示燈參數(shù)設(shè)置界面如圖9所示。

圖7 HMI界面的繪制

圖8 正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕關(guān)聯(lián)變量

圖9 指示燈參數(shù)設(shè)置界面

小車(chē)在HMI 界面的運(yùn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)如圖10 所示。在梯形圖中采用FC 模塊編寫(xiě)正轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)和反轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)梯形圖，并在主程序中調(diào)用這兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中小車(chē)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程。正轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)FC模塊如圖11所示。系統(tǒng)最終運(yùn)行界面如圖12所示。

圖10 小車(chē)運(yùn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

圖11 正轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)FC模塊

圖12 系統(tǒng)最終運(yùn)行界面

4 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐效果

在PLC 的教學(xué)過(guò)程中，采用虛擬仿真技術(shù)，教學(xué)效果顯著提高。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的推廣，解決了PLC 教學(xué)中時(shí)間空間的限制，通過(guò)形象生動(dòng)的動(dòng)畫(huà)顯示展示控制效果，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在課堂的教學(xué)過(guò)程中能夠切實(shí)感受到學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的滿(mǎn)意度。學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣顯著提高，能夠更加積極主動(dòng)地投入到學(xué)習(xí)中。