組態(tài)仿真技術(shù)在PLC教學中的交互應用

徐紅明 金湖庭

摘 ?要：為有效解決目前PLC教學中存在的教學軟硬件更新滯后、教學項目缺乏創(chuàng)新、教學方式不夠靈活、學生學習積極性不高等問題，提出了采用全虛擬和虛實結(jié)合兩種PLC教學交互方案。教學實踐表明，組態(tài)仿真的虛擬控制對象，可以逼真地顯示復雜控制系統(tǒng)的動態(tài)控制過程，減輕教師對教學硬件設施與場地的依賴，提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的編程能力、實踐動手能力和創(chuàng)新能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：組態(tài)技術(shù);可編程控制器（PLC）;仿真;教學改革

中圖分類號：G715 ? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：2096-3769（2021）06-039-05

可編程控制器（PLC）是以微處理器為[1]核心，集傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)為一體的一種自動控制裝置，已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應用。[1]PLC技術(shù)是智能控制技術(shù)等自動化類專業(yè)的專業(yè)核心課，是一門工程性、實踐性很強的課程[2][3]。在現(xiàn)階段PLC教學中，受學校配備的PLC實訓設備、工業(yè)控制對象等多種教學條件及空間的限制，在培養(yǎng)學生工程實踐能力、綜合分析能力和創(chuàng)新能力方面受到很大的制約。組態(tài)技術(shù)是一種工業(yè)自動化數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件技術(shù)，可對控制過程中的各種資源進行配置，用文字或圖形動態(tài)顯示PLC中的開關(guān)量狀態(tài)和數(shù)字量數(shù)值，生成人機界面的畫面，與操作人員進行信息交互。如何在現(xiàn)有教學條件下，發(fā)揮組態(tài)技術(shù)的仿真和人機交互優(yōu)勢，研究、探索和改革PLC課程的教學方法和教學手段，不斷提高教學質(zhì)量，為“中國制造2025”培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，具有非常重要而深遠的意義。

一、可編程控制器（PLC）教學存在的問題及解決方法

近些年，項目教學法[4]、任務驅(qū)動教學法[5]等探究式教學模式在高職院校得到廣泛推廣，對PLC這類實踐性和操作性較強的課程，這些教學方法能有效激發(fā)學生的學習興趣和求知欲望，調(diào)動學生的學習積極性，促進學生分析問題、解決問題的能力和探索精神的培養(yǎng)，并已經(jīng)為社會培養(yǎng)了大批基礎扎實、具有一定實踐能力的工控技術(shù)人才。但是，我們也必須清醒的看到，在高職擴招學生規(guī)模不斷增加、工控技術(shù)快速發(fā)展等背景下，當前PLC教學與社會需求還存在較大差距，在課程教學方面也有一些不足之處。

1.教學軟硬件更新滯后

該課程具有極強的實踐性，目前市場上主流的PLC品牌有西門子、三菱等，一般授課教師會根據(jù)學校已建PLC實訓室的設備，選擇其中一個品牌進行教學，然而同一PLC品牌還有不同的產(chǎn)品系列及編程軟件，以西門子為例，早期建設的PLC實訓裝置多以S7-200、S7-300為主，編程軟件分別為STEP 7-Micro/WIN V4.0、STEP7 V5.5，然而經(jīng)過多年的產(chǎn)品更新迭代，這些產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)并面臨淘汰，推出的替代產(chǎn)品是S7-200 SMART、S7-1200、1500等，編程軟件分別為STEP 7-Micro/WIN SMART、TIA Portal V15[6]（博途）。然而，新建PLC實訓室資金需求量大且周期較長，在這種情況下，一些教師還在采用S7-200開展教學，用發(fā)光二極管模擬實驗效果，根本無法直觀、逼真地顯示復雜控制系統(tǒng)的動態(tài)控制過程，學生的學習興趣和積極性自然也就不高，這樣培養(yǎng)的學生與企業(yè)的實際需求可以說相差甚遠。

2.教學項目乏善可陳

該課程具有很強的創(chuàng)造性，每一條指令都需要通過創(chuàng)造性的思維應用到生產(chǎn)實際中去，從工程角度出發(fā)，已經(jīng)積累了豐富的教學項目和案例，如電動機控制正反轉(zhuǎn)控制、Y/Δ起動控制、小車往返控制、十字路口交通燈的控制、彩燈循環(huán)控制、噴泉控制、搶答器設計、機械手控制、PLC的聯(lián)網(wǎng)與通信等，但由于一些教師教育思想、實踐教學觀念陳舊，對PLC外圍設備和實驗模塊過度依賴，專業(yè)課程之間沒有很好的教學協(xié)作，也無心挖掘?qū)嵱栐O備的潛能，制定更加有利于拓展學生思維的教學項目，這些都嚴重制約了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

隨著組態(tài)技術(shù)[7][8][9]的發(fā)展，利用組態(tài)軟件強大的仿真能力，構(gòu)造虛擬工控對象，通過PLC和控制對象間建立數(shù)據(jù)連接與通信，把PLC控制與組態(tài)仿真控制結(jié)合起來，建立經(jīng)濟靈活又形象直觀的虛擬實訓教學項目，實現(xiàn)對生產(chǎn)流程的模擬操作，該類仿真教學實訓項目投入成本低，可以有效解決購置實際被控對象資金量大，占用空間大、無法及時更新、容易過時等問題，將組態(tài)仿真技術(shù)應用于PLC教學，是提高PLC課程教學質(zhì)量，構(gòu)建與工控技術(shù)發(fā)展相適應的實踐教學的新思路。

二、組態(tài)技術(shù)與PLC教學交互方案

組態(tài)仿真技術(shù)與PLC實現(xiàn)有效交互，建立的虛擬仿真實訓系統(tǒng)突破了空間限制，可以便捷地實現(xiàn)教學項目更新，形象生動地展現(xiàn)控制效果與學習成果，極大地提高了學生的成就感，鍛煉學生的工程實踐能力，根據(jù)不同工控產(chǎn)品和院校教學條件，可以采用全虛擬和虛實結(jié)合兩種仿真交互方案。

1.全虛擬仿真交互方案

該方案利用校內(nèi)專業(yè)機房或?qū)W生個人電腦，安裝相應工控軟件即可實施，適用于PLC實訓設備少，產(chǎn)品落后，學生數(shù)較多的情況下應用，適用于交通燈控制、彩燈循環(huán)控制、噴泉控制、搶答器等教學項目的仿真實現(xiàn)。

西門子PLC-HMI：博途是西門子公司新發(fā)布的一個全集成化軟件平臺，它完美兼容了西門子S7-300、400、1200、1500等不同系列產(chǎn)品，集成了STEP-7 和WINCC等軟件功能，利用TIA Portal可以添加不同類型的PLC控制器和人機界面（HMI），快速完成硬件配置，網(wǎng)絡參數(shù)設定等功能，實現(xiàn)高效組態(tài)。它采用智能化的變量定義功能，支持變量的拖拽連接，可實現(xiàn)PLC和HMI的高效編程，集成的PLCSIM仿真軟件在沒有實際硬件的情況下，只需要在電腦上安裝博途軟件，即可以對所編寫的程序進行仿真和聯(lián)機調(diào)試，實現(xiàn)教學仿真交互應用。

三菱PLC-組態(tài)王：該方案交互系統(tǒng)，如圖1所示，主要由三菱PLC編程軟件GX Developer、三菱OPC服務軟件MX OPC Server和組態(tài)王kingview 6.55 軟件三部分組成，GXDeveloper是PLC程序編譯平臺，GX Simulator是三菱PLC的虛擬控制器，kingview 6.55軟件組態(tài)的虛擬對象則作為PLC的控制對象，通過OPC服務軟件將PLC軟件與組態(tài)軟件進行通信連接，實現(xiàn)通過PLC程序控制組態(tài)的被控對象，達到工控項目全虛擬仿真交互控制效果。[10]

2.虛實結(jié)合仿真交互方案

該方案適用于在已建PLC實訓室基礎上進行拓展，適用于多種混合液體控制、機械手控制等有動態(tài)過程的教學項目仿真交互，主要利用監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（MCGS）觸摸屏[11][12]和PLC構(gòu)建如圖2所示的虛實結(jié)合的仿真交互實訓系統(tǒng)，PLC可以選用帶以太網(wǎng)接口和RS-485通信接口的西門子S7-200 SMART或S7-1200，MCGS選用帶以太網(wǎng)接口的嵌入式觸摸屏TPC1061Ti，PLC、MCGS、編程電腦通過工控交換機實現(xiàn)通信連接，可根據(jù)教學項目需要，多人共用一套實訓設備進行編程，并進行綜合聯(lián)機調(diào)試。

三、組態(tài)仿真技術(shù)與PLC交互教學實例

以PLC教學中的兩種液體混合PLC控制系統(tǒng)為例，教學項目系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

在傳統(tǒng)的教學和項目實踐中，學生主要依據(jù)系統(tǒng)示意圖進行功能分析和程序編寫，調(diào)試時無法直觀看到閥件動作、液體流動、液位升降等動態(tài)過程顯示，功能單一，枯燥乏味。利用組態(tài)仿真技術(shù)，按照工業(yè)控制實際需要對其進行功能完善和優(yōu)化，組建虛實結(jié)合的交互實訓系統(tǒng)開展教學。

1.控制要求

完善后的控制系統(tǒng)功能要求描述如下：

初始狀態(tài)：液罐容器為空，閥A～閥C均處于關(guān)閉狀態(tài)，低、中、高三個液位開關(guān)L1～L3都處于斷開狀態(tài)，攪拌電動機M處于停止狀態(tài)，加熱管處于停止狀態(tài)。

系統(tǒng)運行：按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)開始工作，先打開閥A，向液罐注入液體A，液位持續(xù)上升，當液位達到中液位時，液位開關(guān)L2接通，關(guān)閉閥A，打開閥B，開始向液罐注入液體B，當液面到達高液位時，液位開關(guān)L1接通，關(guān)閉閥B，此時攪拌電動機M啟動，攪拌液體30S后停止。然后，系統(tǒng)啟動2個加熱管，開始對混合液體進行加熱，當溫度傳感器檢測到液體的溫度達到60度時，加熱管停止工作，并自動將閥C打開，開始排放混合液體，液位持續(xù)下降，當液面降至低液位以下時，液位開關(guān)L1由接通轉(zhuǎn)為斷開，并進行計時，待再排放10S后，閥C關(guān)閉，此時液罐容器放空，然后按照上述規(guī)律連續(xù)循環(huán)運行，直至按下停止按鈕。工作過程中，若加熱器出現(xiàn)故障，導致液體溫度超過75度時，自動觸發(fā)報警，溫度報警燈閃爍。

工作模式：控制系統(tǒng)可以進行手動/自動、單周/連續(xù)工作模式切換，默認處于自動控制、連續(xù)運行模式，若切換到手動控制，所有閥件及流程由手動操作完成，切換到單周運行模式，程序運行一個循環(huán)后停止，系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。

系統(tǒng)停止：自動控制工作模式下，按下停止按鈕，系統(tǒng)需要完成當前工作周期后停止，并恢復到初始狀態(tài)。

輔助控制：液位開關(guān)的狀態(tài)控制通過手動輸入信號進行模擬，液體溫度變化通過程序模擬。

2.I/O分配

對上述控制功能和要求進行分析，用西門子S7-200 SMART和MCGSTPC1061Ti構(gòu)建虛實結(jié)合的仿真交互系統(tǒng)，PLC輸入輸出地址分配，如表1所示，因PLC輸入均為虛擬信號，故不采用輸入寄存器I，而是采用中間寄存器M作為輸入信號。

3.PLC程序設計

打開STEP 7-Micro/WIN SMART軟件，在系統(tǒng)塊的CPU下拉菜單中選擇 ST20（DC/DC/DC），以太網(wǎng)端口設置IP地址為192.168.0.3，在程序塊中編寫PLC程序，包括主程序和公共程序、手動程序、自動程序三個子程序，還有溫度檢測中斷程序，公共程序主要完成上電初始化及參數(shù)設置，并按采樣時間執(zhí)行溫度檢測中斷程序檢測計算的溫度值，手動程序和自動程序通過按鈕M0.2進行切換操作，自動程序順序功能，如圖4所示。

4.人機界面組態(tài)設計

打開MCGS7.7組態(tài)軟件[13][14]，新建工程，選擇TPC類型TPC1061Ti，在實時數(shù)據(jù)庫中添加項目中需要的變量，并按照項目控制要求對閥、攪拌電動機、加熱器，液位等進行組態(tài)，加熱器溫度可以通過溫度變化程序或拖拽溫度標尺模擬改變，并在溫度值窗口顯示，組態(tài)的人機交互界面，如圖5所示。

5.聯(lián)機與調(diào)試

兩種液體混合控制系統(tǒng)人機交互界面組態(tài)完成后，打開MCGS軟件設備組態(tài)窗口，在通用串口父設備下添加子設備西門子Smart 200，設置本地組態(tài)屏IP地址與遠程PLC的IP地址在同一網(wǎng)段，把連接變量和PLC輸入輸出通道地址對應連接，實現(xiàn)PLC與虛擬對象的通信交互，聯(lián)機調(diào)試修改完善系統(tǒng)設計，直至達到控制功能描述的要求。

6.教學實施

利用上述設計的虛實結(jié)合教學項目可以按以下步驟展開教學活動，第一步，教師進行項目演示，明確告知本項目的教學目標和任務要求，提出相應問題，并依次進行項目相關(guān)的技術(shù)引導、知識引導和應用引導;第二步，在教師引導的基礎上，學生進行相關(guān)問題的思考和知識點的學習，以小組協(xié)作的方式，完成PLC程序編制、觸摸屏交互界面設計、聯(lián)機調(diào)試和項目總結(jié);第三步，項目成果展示和交流，學生對自己的項目完成情況進行自我評估，小組間進行互評評估、教師進行總體評估。

三、結(jié)語

組態(tài)仿真技術(shù)在PLC教學中的交互應用，有效解決了目前PLC教學普遍存在的教學軟硬件更新滯后、教學項目缺乏創(chuàng)新、教學方式不夠靈活、學生學習積極性不高等問題，實現(xiàn)PLC控制技術(shù)與工控組態(tài)技術(shù)課程聯(lián)動，完成PLC與人機界面協(xié)同設計，深刻體會和理解控制系統(tǒng)項目設計的全流程，提升教學環(huán)節(jié)清晰度，提高教學過程開放度、學生學習參與度和教學資源生成度，教學目標達成度明顯提高，并大大減輕教師對硬件設施與場地的依賴，在實訓安全、維護投入和教學效果等方面均具有顯著優(yōu)勢，也為開放 、創(chuàng)新性實踐教學提供了平臺。

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Research on the Application of Configuration Simulation Technology in PLC Teaching

XU Hong-ming， JIN Hu-ting

（Marine Department of Zhejiang Institute of Communications， Hangzhou 311112， China）

Abstract： In order to effectively solve the problems in PLC teaching， such as the outdated teaching hardware and software， the lack of innovation in teaching projects， the inflexibility of teaching methods and the low rate of involvement of students， two ways of interactive teaching modes， fully virtual and virtual-real are proposed. Practice shows that the virtual control object with configuration simulation can vividly display the dynamic control process of complex control system， make teachers less dependent on teaching hardware and teaching sites， arouse students' interest in learning， cultivate students' ability in programming， practice and innovation thus to raise the standard of competency of college graduates.

Key words： Configuration Technology; PLC; Simulation; Teaching Reform

收稿日期：2021-05-13

作者簡介：徐紅明（1978），男，浙江東陽人，碩士，副教授，研究方向為自動控制與仿真。

本文為浙江省高校訪問工程師“校企合作項目”（FG2017013）和浙江省高等教育“十三五”教學改革研究項目“‘1+X證書制度背景下智能控制技術(shù)專業(yè)‘多課聯(lián)動、書證融通人才培養(yǎng)模式研究與實踐”（jg20190699）的部分研究成果。