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

陳新 李子樂(lè) 張揚(yáng)

[摘 要] 針對(duì)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(chǎng)景脫節(jié)，調(diào)試和控制不方便等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。在對(duì)比目前PLC實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，給出PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和組成、工作和設(shè)計(jì)原理，并通過(guò)電梯控制系統(tǒng)實(shí)例說(shuō)明PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(chǎng)景生動(dòng)真實(shí)，豐富了學(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(tái);PLC;3D場(chǎng)景

[作者簡(jiǎn)介] 陳 新（1977—），男（瑤族），湖南婁底人，工學(xué)博士，副教授，主要從事電氣控制研究。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）30-0391-02? ? [收稿日期] 2019-12-17

一、引言

在PLC教學(xué)/實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)至關(guān)重要，針對(duì)不同工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，學(xué)生必須編寫(xiě)不同的程序并反復(fù)調(diào)試，才能真正掌握可編程控制器的技術(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(chǎng)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(guò)程中具有非常重要的作用[1]。

針對(duì)各高校和職業(yè)院校PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的欠缺，本文設(shè)計(jì)了PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)。PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)是一款結(jié)合實(shí)物PLC、實(shí)物控制對(duì)象和虛擬仿真控制對(duì)象為一體的PLC綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái);該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是結(jié)合了虛擬技術(shù)、PLC硬件在環(huán)、PLC與電腦通信技術(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。

二、PLC實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(tái)的實(shí)現(xiàn)方法主要包括如下幾種：

（1）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(guò)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(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)。

（2）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(jí)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(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

（3）PLC可編程控制器單獨(dú)實(shí)訓(xùn)模型

通過(guò)模擬實(shí)際場(chǎng)景，如交通燈、立體車庫(kù)甚至是整條生產(chǎn)流水線，給學(xué)生更加形象化地展示現(xiàn)場(chǎng)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)。

（4）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(chǎng)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(wèn)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(jí)需要大量資金。（2）PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備與工業(yè)自動(dòng)化PLC控制實(shí)際需求與場(chǎng)景等相差太遠(yuǎn)。（3）PLC是一門(mén)綜合性課程，其控制包括機(jī)、電、液、氣等的綜合控制，一般高?，F(xiàn)有的條件和實(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(chǎng)景和現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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)。

三、平臺(tái)組成及工作原理

PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)是一款結(jié)合實(shí)物PLC、實(shí)物控制對(duì)象和虛擬仿真控制對(duì)象為一體的PLC綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。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(lái)下載程序，可同上位機(jī)通訊，也可與西門(mén)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(duì)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(xiě)所有數(shù)據(jù)區(qū)。電腦端通過(guò)USB-PPI通信電纜與S7-200 SMART進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如通過(guò)PPI通信協(xié)議來(lái)讀取PLC所有儲(chǔ)存器及I/O接口的相關(guān)狀態(tài)，電腦讀取到PLC儲(chǔ)存器及I/O接口的相關(guān)狀態(tài)后進(jìn)行判斷并在3D場(chǎng)景中進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作。PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(chǎng)景采用了Unity 3D軟件，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的3D場(chǎng)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。

四、實(shí)驗(yàn)流程

以最常見(jiàn)的交通燈控制虛實(shí)仿真項(xiàng)目為例說(shuō)明實(shí)驗(yàn)過(guò)程，（1）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(kāi)仿真軟件顯示相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如圖2所示。

（2）打開(kāi)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(guò)網(wǎng)線下載到控制器中。

（3）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(guò)3D場(chǎng)景看到對(duì)應(yīng)的交通燈狀態(tài)，同時(shí)也能通過(guò)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(dòng)作。

通過(guò)PLC虛實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)顯示與利用西門(mén)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(tái)顯示的場(chǎng)景更加真實(shí)、生動(dòng)。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬3D動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和人機(jī)交互模擬真實(shí)場(chǎng)景，具有直觀和生動(dòng)的特點(diǎn)。利用虛擬3D技術(shù)展示實(shí)物場(chǎng)景，讓枯燥的工業(yè)場(chǎng)景和控制實(shí)物展示在學(xué)生面前。

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Research and Application of PLC Virtual Reality Simulation Training Platform

CHEN Xin，LI Zi-le，ZHANG Yang

（School of Energy and Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University of Humanities，Science and Technology，Loudi，Hunan 417009，China）

Abstract：Aiming at the problems that the PLC control system is disconnected from the actual engineering scene in the experiment and training courses，and the debugging and control are inconvenient，a PLC virtual reality training platform is designed.In contrast to the current PLC experiment and training platform，the structure and composition，work and design principles of the PLC virtual reality training platform were given，and an example of the elevator control system is used to illustrate the entire training process of the PLC virtual reality training platform.The training system can be closely combined with practical engineering application cases.The 3D scenes are vivid and real，and can enrich students' engineering practice experience.

Key words：virtual reality simulation;training platform;PLC;3D scene