虛擬仿真系統(tǒng)在PLC課程教學(xué)中的應(yīng)用

韓銳

摘 要：針對PLC教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)際情況，筆者提出了一種基于Factory IO與西門子PLC-SIM協(xié)同仿真的虛擬化仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案。本文以木箱傳送實(shí)驗(yàn)為例，闡述該系統(tǒng)在整個課程教學(xué)中的實(shí)施過程，并對實(shí)施結(jié)果進(jìn)行分析與評價。

關(guān)鍵詞：PLC教學(xué) 虛擬化仿真 Factory IO

近年來，伴隨著我國職業(yè)教育的大力發(fā)展，越來越多的學(xué)子有機(jī)會進(jìn)入高等院校進(jìn)行深造。然而伴隨著學(xué)生人數(shù)的增多，學(xué)校的許多教學(xué)資源面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是在師資以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備上表現(xiàn)得尤為突出。這明顯違背了職業(yè)教育強(qiáng)調(diào)“做與學(xué)一體化”培養(yǎng)技能型人才的目標(biāo)。與此同時，實(shí)驗(yàn)設(shè)備因?qū)嶒?yàn)頻率的提高必然導(dǎo)致?lián)p耗的加劇，增加了教學(xué)成本，這也是各學(xué)校面臨的主要困難。為彌補(bǔ)PLC課程教學(xué)設(shè)備的不足，設(shè)計了一種基于西門子PLC-SIM與Factory IO的虛擬化仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以直觀、動態(tài)地模擬PLC在工業(yè)場景下的運(yùn)行狀態(tài)，還可通過該系統(tǒng)直觀地顯示PLC以及其他傳感器的動作狀態(tài)。虛擬化系統(tǒng)的引入有效地解決了原先僅使用PLC仿真而造成的教學(xué)枯燥無味、程序抽象難懂的問題，實(shí)現(xiàn)了PLC運(yùn)行過程所見即所得的動態(tài)演示效果，進(jìn)而達(dá)到較好的教學(xué)訓(xùn)練效果。

一、虛擬化仿真系統(tǒng)的設(shè)計

虛擬化仿真系統(tǒng)主要由PLC程序編輯模塊、PLC實(shí)驗(yàn)仿真模塊以及PLC場景應(yīng)用模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真系統(tǒng)通過在一臺PC機(jī)上同時安裝PLC300仿真調(diào)試軟件PLC-SIM、工業(yè)現(xiàn)場仿真設(shè)計軟件Factory IO和PLC編程軟件TIA Portal v14實(shí)現(xiàn)仿真功能。

PLC程序編輯模塊采用西門子公司官方推薦的PLC程序編寫軟件TIA Portal V14集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序的編寫調(diào)試工作。在仿真環(huán)節(jié)中，學(xué)生先使用PLCSIM軟件對PLC進(jìn)行仿真調(diào)試，待仿真成功后，將剛才編寫好的程序下載到實(shí)體PLC中，利用應(yīng)用場景仿真模塊進(jìn)行三維立體仿真演示。這種虛擬仿真與實(shí)體驗(yàn)證相結(jié)合的設(shè)計模式緩解了因PLC數(shù)量不足而造成的教學(xué)資源緊張狀況，提高了PLC實(shí)體器件的使用效率。

二、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

本設(shè)計以傳送帶傳送木箱為例，按照難度高低劃分依次分為：PLC虛擬仿真平臺搭建、教學(xué)實(shí)踐環(huán)境介紹、基礎(chǔ)知識內(nèi)容講授、系統(tǒng)運(yùn)行原理分析、針對性拓展訓(xùn)練以及故障檢測與排除六個環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)具體分析如下。

1.PLC虛擬仿真平臺搭建

教師安裝虛擬化仿真平臺所需的軟件后，讓學(xué)生掌握仿真環(huán)境的搭建并且熟悉仿真系統(tǒng)的組織架構(gòu)，從而為后續(xù)傳送木箱實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。搭建過程中，每一位學(xué)生均需按照個人姓名拼音縮寫和學(xué)號命名創(chuàng)建個人仿真目錄，以便教師日后統(tǒng)計學(xué)生的完成情況，同時也避免了因工程文件無序放置而造成的系統(tǒng)異常情況，培養(yǎng)了學(xué)生的工程管理意識。

2.教學(xué)實(shí)踐環(huán)境介紹

教師引導(dǎo)學(xué)生調(diào)試并運(yùn)行軟件自帶的基礎(chǔ)案例來熟悉虛擬仿真系統(tǒng)的使用。這一過程要求學(xué)生掌握項(xiàng)目的創(chuàng)建、場景布局以及程序編寫調(diào)試技巧。本設(shè)計要求學(xué)生根據(jù)給出的傳送帶傳送木箱場景圖繪制實(shí)驗(yàn)所需場景并設(shè)置相應(yīng)功能。由于此部分難度設(shè)置較低，在學(xué)生掌握項(xiàng)目創(chuàng)建方法后，教師還可根據(jù)Factory IO的驅(qū)動連接界面補(bǔ)充講解PLC的IO引腳功能，便于日后PLC功能指令的講解。

3.基礎(chǔ)知識講解

根據(jù)課程設(shè)計需要，教師重點(diǎn)講解本次實(shí)踐所需要的相關(guān)知識點(diǎn)。以本例中傳送帶搬運(yùn)木箱實(shí)驗(yàn)為例，首先根據(jù)學(xué)生前續(xù)課程的掌握情況對以前學(xué)過的知識進(jìn)行復(fù)習(xí)，然后結(jié)合虛擬仿真平臺的運(yùn)行環(huán)境講解課程所需的基礎(chǔ)知識。本例中需要向?qū)W生講解的知識點(diǎn)有常開常閉觸點(diǎn)的使用方法、“啟保?！彪娐返脑O(shè)計方法以及對應(yīng)的PLC接線方法。在完成以上內(nèi)容的講解后還可根據(jù)需要進(jìn)行拓展，增加定時器等其他基礎(chǔ)指令的學(xué)習(xí)。此部分的教學(xué)需要結(jié)合虛擬平臺對指令內(nèi)容進(jìn)行分塊講解，讓學(xué)生能夠?qū)γ總€知識點(diǎn)進(jìn)行充分的理解掌握。

4.系統(tǒng)運(yùn)行原理分析

以圖2木箱搬運(yùn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，教師首先對系統(tǒng)按照實(shí)際正常的運(yùn)行速度進(jìn)行仿真，然后針對教學(xué)過程中存在的難點(diǎn)部分進(jìn)行慢速演示，其目的是讓學(xué)生對整個實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過程有一個完整清晰的認(rèn)識。與基礎(chǔ)知識講解不同的是，這部分的慢速演示強(qiáng)調(diào)教學(xué)演示的完整性，即在完整演示PLC運(yùn)行過程的前提下，利用慢速運(yùn)行的特點(diǎn)來重點(diǎn)解釋教學(xué)中的難點(diǎn)疑點(diǎn)，通過正常和慢速兩種運(yùn)行模式的演示講解，使學(xué)生能夠全局性地把握整個實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過程。

5.針對性拓展訓(xùn)練

在傳統(tǒng)的PLC教學(xué)中，受限于教學(xué)資源的限制，許多教學(xué)任務(wù)不得不依賴于教具廠商給出的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊來設(shè)計進(jìn)行，所作修改極為有限。在虛擬化仿真系統(tǒng)的教學(xué)中，教師可根據(jù)自己的需要，通過重新組合平臺已有的各個器件對實(shí)驗(yàn)所需的仿真場景進(jìn)行拓展和設(shè)計。圖3為木箱搬運(yùn)拓展訓(xùn)練情景，在原有的兩個傳送帶基礎(chǔ)上，可以通過增加新的傳感器以及另外兩條傳送帶，實(shí)現(xiàn)木箱由一面向多面?zhèn)魉偷墓δ?。這一部分通過增加訓(xùn)練模塊，使學(xué)生可以在原有任務(wù)的基礎(chǔ)上思考如何依據(jù)現(xiàn)有條件實(shí)現(xiàn)功能的拓展，在強(qiáng)化原有知識掌握的基礎(chǔ)上，提升學(xué)生思考的廣度和深度。

6.故障檢測與排除

在虛擬化仿真系統(tǒng)中，故障錯誤的設(shè)置可通過改變虛擬仿真場景的某些參數(shù)進(jìn)行模擬。如圖4中“Remover 1”所示，在虛擬仿真場景軟件Factory IO中當(dāng)某器件被標(biāo)記為“FORCED”狀態(tài)時，該器件不再接收或發(fā)送信號給其他外圍器件，此現(xiàn)象等同于實(shí)際場景中的器件異常失聯(lián)情況。利用此特性，學(xué)生可根據(jù)觀察到的現(xiàn)象對出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行故障排錯與檢修。

在本例中，可將部分傳感器信號設(shè)定為“FORCED”狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察木箱運(yùn)動狀況啟發(fā)學(xué)生排除相應(yīng)故障。相比于利用實(shí)體器件進(jìn)行現(xiàn)實(shí)場景故障排錯的教學(xué)模式，該方法可有效避免操作錯誤引起的設(shè)備損壞以及操作失誤造成的意外傷害。同理，基于此種特性該方法還可以模擬更多實(shí)際操作中無法模擬的危險狀況下的故障。

三、實(shí)驗(yàn)效果分析

在PLC教學(xué)過程中引入該虛擬化系統(tǒng)，從教學(xué)的角度而言，教師可以根據(jù)課程需要，更加靈活地安排課程內(nèi)容，避免了原來受限于實(shí)驗(yàn)場地而造成的課程應(yīng)用場景單一化的缺陷，同時還可借助虛擬仿真系統(tǒng)的慢放以及場景調(diào)試功能。虛擬化平臺可以更好地展現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下PLC的運(yùn)行情況并模擬異常情況下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，豐富了教學(xué)設(shè)計案例的多樣性。

從學(xué)生的參與度而言，該平臺極大地提高了學(xué)生的積極性。在過去的分組教學(xué)中，由于教學(xué)資源的限制，學(xué)生很難在指定時間內(nèi)細(xì)致地觀察實(shí)驗(yàn)過程，同時，枯燥乏味的實(shí)驗(yàn)也很難激發(fā)學(xué)生的興趣。通過使用虛擬化系統(tǒng)，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要隨時改變實(shí)驗(yàn)場景，仿真不同的PLC的型號，對于課上沒有完成的任務(wù)還可以利用課余時間進(jìn)行觀察仿真。

四、小結(jié)

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計從PLC教學(xué)的實(shí)際情況出發(fā)，以木箱搬運(yùn)作為教學(xué)案例，結(jié)合實(shí)際教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，采用虛擬化仿真系統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，在解決日益增長的學(xué)生數(shù)量與教學(xué)資源短缺之間矛盾的同時，也使PLC教學(xué)應(yīng)用場景得到了極大的拓展。

實(shí)踐證明，該設(shè)計充分體現(xiàn)了虛擬化系統(tǒng)的先進(jìn)性，這種教學(xué)方式能夠以一種高效的方式滿足教學(xué)需求，學(xué)生參與度高，教學(xué)效果明顯。當(dāng)然，該設(shè)計仍然可做進(jìn)一步優(yōu)化，如引入更多的虛擬化現(xiàn)場仿真軟件以滿足除西門子之外其他PLC廠家的教學(xué)需要。這些筆者將在后續(xù)的教學(xué)過程中逐步探索與實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾少寧.基于GitHub平臺的協(xié)同式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[J].計算機(jī)教育，2016（12）.

[2]周天沛.虛擬PLC仿真實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2016（2）.

（作者單位：蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院）