PLC虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

金啟彥

PLC課程具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性，學(xué)生需要通過大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，來理解掌握理論課的內(nèi)容，進(jìn)而達(dá)到靈活運(yùn)用的程度，以適應(yīng)社會對應(yīng)用型人才的需要。現(xiàn)在很多高校的PLC實(shí)踐課程，都是依托傳統(tǒng)的PLC實(shí)驗(yàn)臺在進(jìn)行，這種教學(xué)形式存在的問題是學(xué)生多、實(shí)驗(yàn)臺少，學(xué)生很難得到全面系統(tǒng)的訓(xùn)練。就這一問題，很多高校和企業(yè)開始尋求解決方案，而PLC虛擬實(shí)訓(xùn)平臺就是一種解決之道。

1建設(shè)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的意義

（1）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺由大量硬件設(shè)備組成，出現(xiàn)故障的概率較大，簡單的故障教師可自行維修解決，但是這大大影響了學(xué)生的實(shí)踐過程，降低教學(xué)質(zhì)量。復(fù)雜的故障則需要生產(chǎn)廠家派人維修，甚至要返廠換件，這樣需要相當(dāng)長的維修周期，就造成課程教學(xué)過程開展極其困難。而虛擬實(shí)訓(xùn)平臺基本不存在故障問題，且維護(hù)簡單方便。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺無法使用時(shí)，可以在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺上，完成課程要求的全部實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。

（2）傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)臺的被控對象多采用模擬模塊，模塊形式固定，只能完成固定的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，無法進(jìn)行改動，不利于學(xué)生的個(gè)性化培養(yǎng)。而虛擬實(shí)訓(xùn)平臺，可以方便地對被控對象進(jìn)行修改。這樣，針對同一被控對象，可以根據(jù)不同學(xué)生的不同特點(diǎn)，定制不同的難度級別，達(dá)到因材施教的目的。

（3）如今工業(yè)自動化領(lǐng)域飛速發(fā)展，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)備已經(jīng)漸漸跟不上時(shí)代的發(fā)展步伐，不能滿足學(xué)生PLC課程的學(xué)習(xí)。如果等待教學(xué)儀器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)最新的教學(xué)設(shè)備，一是等待期較長，二是這類設(shè)備相對較貴，高校經(jīng)費(fèi)有限，支持不了頻繁地更換實(shí)驗(yàn)臺。虛擬實(shí)訓(xùn)平臺則不存在此類問題，它的修改十分方便快捷。教師可以在充分市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，自行修改虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的內(nèi)容，設(shè)計(jì)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容，完成周期較短，可以即設(shè)計(jì)即用。

2虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)

2.1虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的組成結(jié)構(gòu)

此次PLC虛擬實(shí)訓(xùn)平臺是以本校原有的PLC實(shí)驗(yàn)臺為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)的，意在構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)臺相配套的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺，該虛擬平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，硬件部分主要包括上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)采用計(jì)算機(jī)：下位機(jī)采用西門子S7-200系列PLC，型號為CPU224XP：上下位機(jī)通過PC/PPI電纜進(jìn)行連接通信。軟件部分則是利用上位機(jī)中裝有的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，利用組態(tài)軟件仿真被控對象，搭建實(shí)訓(xùn)平臺人機(jī)界面，并建立上下位機(jī)通信。在進(jìn)行PLC實(shí)踐時(shí)，先把程序下載到PLC中，然后打開虛擬平臺的軟件部分，可在其中的人機(jī)界面操作發(fā)出控制信息，PLC接收到信息后執(zhí)行程序，并將執(zhí)行結(jié)果反饋回上位機(jī)，在人機(jī)界面以動畫的形式形象地展示被控對象的行為動作。

2.2虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)所用組態(tài)軟件為通用監(jiān)控系統(tǒng)MCGS（Monitor and Control Generated System），該軟件可用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺現(xiàn)包含多種液體混合、水塔水位等6個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，部分項(xiàng)目組態(tài)界面如圖2所示設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)過程分為4部分，接下來將以天塔之光為例進(jìn)行說明，該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目是要求啟動開關(guān)打開后，塔上的燈按一定順序點(diǎn)亮。

（1）構(gòu)建組態(tài)工程畫面。利用用戶窗口工具箱中的構(gòu)件，模擬被控對象等硬件設(shè)備，構(gòu)建人機(jī)界面，如圖2右下角天塔之光的組態(tài)界面。

（2）定義各數(shù)據(jù)對象。根據(jù)天塔之光實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的要求，定義輸入量和輸出量對象，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。

（3）設(shè)計(jì)動畫連接。設(shè)置工程畫面中各圖形的屬性，使其與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的對象建立起對應(yīng)的關(guān)系。進(jìn)入組態(tài)后，根據(jù)數(shù)據(jù)對象的不同值將顯示不同的動畫效果。

（4）建立與西門子PLC連接。在設(shè)備窗口添加外部設(shè)備[西門子_S7200PPI設(shè)備]，并設(shè)置設(shè)備相關(guān)屬性，如圖4所示。進(jìn)入組態(tài)后，上下位機(jī)就能夠?qū)崟r(shí)通信，相互傳遞數(shù)據(jù)。

該平臺的開發(fā)是結(jié)合學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完成，學(xué)生和指導(dǎo)教師共同參與實(shí)施，系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

3虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的應(yīng)用

本校以往PLC實(shí)踐課程，是在PLC實(shí)驗(yàn)臺上完成的，4～5名學(xué)生一組共用一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺，完成一個(gè)PLC實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?，F(xiàn)整合已有實(shí)驗(yàn)資源，將虛擬實(shí)訓(xùn)平臺應(yīng)用于PLC實(shí)踐教學(xué)，課程中每名學(xué)生都配備一臺計(jì)算機(jī)和一臺PLC設(shè)備，也就是每名學(xué)生都擁有一套虛擬實(shí)訓(xùn)平臺。將PLC虛擬實(shí)訓(xùn)平臺與原有實(shí)驗(yàn)臺配套使用，學(xué)生具體實(shí)踐過程如下：

（1）進(jìn)行分組選題，較以往每組學(xué)生可減少到1～2人。并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，包括軟件流程和硬件方案設(shè)計(jì)等。

（2）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺調(diào)試程序。學(xué)生將項(xiàng)目程序下載到PLC中，在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的計(jì)算機(jī)中打開相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，并在人機(jī)界面上進(jìn)行相應(yīng)操作，例如天塔之光項(xiàng)目中打開啟動開關(guān)。因上下位機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通信，上位機(jī)操作的信息傳送給下位機(jī)PLC，PLC根據(jù)這些信息以及內(nèi)部程序，輸出控制結(jié)果，該結(jié)果反饋到人機(jī)界面，通過實(shí)時(shí)動畫顯示出來，可以直觀地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)程序的正確性。如天塔之光項(xiàng)目，若燈按要求順序依次點(diǎn)亮，則證明所設(shè)計(jì)程序是正確的。該階段，每名學(xué)生都可以在自己的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺完成程序調(diào)試。

（3）轉(zhuǎn)入PLC實(shí)驗(yàn)臺，首先根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案，完成硬件設(shè)備的接線：之后，將已經(jīng)基本調(diào)試成型的程序下載到PLC中，進(jìn)行軟硬件的聯(lián)合調(diào)試。該階段，會將項(xiàng)目相同或相似的2～3組分到一個(gè)PLC實(shí)驗(yàn)臺，共同協(xié)作，查缺補(bǔ)漏，提高項(xiàng)目完成質(zhì)量。

4結(jié)語

利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)PLC虛擬實(shí)訓(xùn)平臺，并將該平臺與原有PLC實(shí)驗(yàn)臺配合使用進(jìn)行教學(xué)，提高了實(shí)踐過程的趣味性，學(xué)生的積極性得到了很大調(diào)動。并且采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，使學(xué)生既不脫離實(shí)物練習(xí)，又能有充分的機(jī)會進(jìn)行編程實(shí)踐，進(jìn)而得到全面系統(tǒng)的訓(xùn)練。該虛擬實(shí)訓(xùn)平臺維護(hù)方便，故障率低，而且更新內(nèi)容十分便捷，可根據(jù)工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)展情況進(jìn)行改造升級。