虛擬仿真軟件Factory IO在PLC實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

尤向陽(yáng)

（1.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，河南 三門峽 472000；2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

1 引言

職業(yè)教育中實(shí)踐操作是非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，但當(dāng)前PLC實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，缺乏實(shí)際的工業(yè)控制對(duì)象和控制場(chǎng)景，用于教學(xué)的儀器設(shè)備存在數(shù)量不足、種類受限、價(jià)格較貴，調(diào)試出錯(cuò)易引起機(jī)械故障等問(wèn)題[1]。借用數(shù)字孿生思想，開(kāi)發(fā)仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可以解決大型設(shè)備建設(shè)成本高、維護(hù)困難、實(shí)訓(xùn)安全不易保障等問(wèn)題，通過(guò)一臺(tái)電腦即可進(jìn)行系統(tǒng)搭建、程序設(shè)計(jì)和可視化調(diào)試[2，3]。Factory IO作為一款出色的虛擬仿真軟件，可以自由使用其內(nèi)部的各種元器件、傳感器、驅(qū)動(dòng)器等搭建自己理想中的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，并聯(lián)合PLC進(jìn)行編程仿真[4]。

2 基于Factory IO的物流分揀場(chǎng)景

2.1 物流分揀模擬場(chǎng)景搭建

在Factory IO中搭建模擬場(chǎng)景，需要了解該軟件中的各種元器件，然后構(gòu)思該設(shè)計(jì)所需要的場(chǎng)景，并在元件盒窗口中找到所需元器件，點(diǎn)擊放置在場(chǎng)景內(nèi)部[5]，模擬場(chǎng)景如圖1所示。在此場(chǎng)景中，包含了以下元器件和設(shè)施。

圖1 模擬場(chǎng)景

（1）送料發(fā)射器：狀態(tài)是常開(kāi)，作用是產(chǎn)生不同型號(hào)的物料。

（2）上料傳感器：狀態(tài)是常開(kāi)，作用是確認(rèn)是否產(chǎn)生了物料。

（3）高度傳感器：狀態(tài)是常開(kāi)，作用是檢測(cè)物料存在并確定物料的型號(hào)。

（4）滾軸式傳送機(jī)（含電機(jī)）：長(zhǎng)度為6米，傳送速度為0.45m/s，此元件共使用四組，一組傳輸物料，三組分三個(gè)方向運(yùn)輸物料。

（5）換向傳感器：狀態(tài)是常開(kāi)，作用是確認(rèn)有物料要進(jìn)入換向器進(jìn)行分揀。

（6）換向器：作用是分揀不同型號(hào)的物料，使其駛向不同方向下的接收器。

（7）滑道：無(wú)狀態(tài)，作用是使物料斜滑入接收器。

（8）接收器：狀態(tài)是常開(kāi)，作用是當(dāng)物料進(jìn)入接收器后，立即使物料消失。

（9）塔式指示燈：狀態(tài)是常開(kāi)，有三種顏色（紅黃綠）。

（10）金屬支架：無(wú)狀態(tài)，作用是安裝配電盤。

（12）配電盤：包含急停、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、三個(gè)顯示器分別顯示三種物料的數(shù)量。

（13）防護(hù)網(wǎng)：無(wú)狀態(tài)，在此場(chǎng)景中，共使用25個(gè)防護(hù)網(wǎng)作為隔離柵使用。

2.2 物流分揀工作過(guò)程

（1）按下啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)指示燈亮，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，塔式指示燈綠燈亮。

（2）送料啟動(dòng)，發(fā)射器送料，入口電機(jī)啟動(dòng)，傳輸物料。物料經(jīng)上料傳感器檢測(cè)，確定有物料，分揀開(kāi)始。

（3）物料再經(jīng)高度傳感器識(shí)別并確認(rèn)型號(hào)，最后經(jīng)換向傳感器確認(rèn)的確有物料要進(jìn)入換向器。

（4）物料開(kāi)始進(jìn)入換向器，裝載啟動(dòng)，當(dāng)物料完全進(jìn)入換向器后，即換向傳感器有下降沿時(shí)，入口電機(jī)關(guān)閉。

（5）若物料是小型貨物，當(dāng)物料完全進(jìn)入換向器且出口信號(hào)有上升沿，裝載關(guān)閉，轉(zhuǎn)向啟動(dòng)，換向器向左旋轉(zhuǎn)90，之后卸載方位信號(hào)有上升沿，裝載啟動(dòng)，物料開(kāi)始離開(kāi)換向器進(jìn)入左端傳輸通道。

（6）當(dāng)左端傳感器有上升沿后，左端傳輸電機(jī)啟動(dòng)，輸送小型貨物，當(dāng)物料完全離開(kāi)換向器后，即左端傳感器有下降沿，裝載關(guān)閉，轉(zhuǎn)向關(guān)閉，換向器向右旋轉(zhuǎn)90，回到原位，復(fù)原狀態(tài)字置1。

（7）當(dāng)小型貨物離開(kāi)左端傳輸通道進(jìn)入左端接收器后，即左端出口傳感器有下降沿，左端傳輸電機(jī)關(guān)閉，控制柜上小物件數(shù)量顯示器顯示數(shù)字1。

（8）若物料是中型貨物，裝載保持啟動(dòng)狀態(tài)。之后物料開(kāi)始進(jìn)入中端傳輸通道，當(dāng)中端傳感器有上升沿時(shí)，中端傳輸電機(jī)啟動(dòng)，輸送中型貨物，當(dāng)物料完全離開(kāi)換向器后，即中端傳感器有下降沿，裝載關(guān)閉，復(fù)原狀態(tài)字置1。

（9）當(dāng)中型貨物離開(kāi)中端傳輸通道并進(jìn)入中端接收器后，即中端出口傳感器有下降沿時(shí)，中端傳輸電機(jī)關(guān)閉，控制柜上中等物件數(shù)量顯示器顯示數(shù)字1。

（10）若物料是大型貨物，當(dāng)物料完全進(jìn)入換向器且出口信號(hào)有上升沿，裝載關(guān)閉，轉(zhuǎn)向啟動(dòng)，換向器向左旋轉(zhuǎn)90，之后卸載方位信號(hào)有上升沿，卸載啟動(dòng)，物料開(kāi)始離開(kāi)換向器進(jìn)入右端傳輸通道。

（11）當(dāng)右端傳感器有上升沿后，右端傳輸電機(jī)啟動(dòng)，輸送大型貨物，當(dāng)物料完全離開(kāi)換向器后，即右端傳感器有下降沿，卸載關(guān)閉，轉(zhuǎn)向關(guān)閉，換向器向左旋轉(zhuǎn)90，回到原位，復(fù)原狀態(tài)字置1。

（12）當(dāng)大型貨物離開(kāi)右端傳輸通道進(jìn)入右端接收器后，即右端出口傳感器有下降沿時(shí)，右端傳輸電機(jī)關(guān)閉，控制柜上大物件數(shù)量顯示器顯示數(shù)字1。

（13）當(dāng)不同物料完全離開(kāi)換向器后，送料啟動(dòng)，發(fā)射器送料，物料重復(fù)上述分揀過(guò)程。

3 控制系統(tǒng)的組成與設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的組成

物流分揀控制系統(tǒng)主要由西門子S7-1200PLC、HMI和Factory IO的各種執(zhí)行元件組成。S7-1200PLC為系統(tǒng)控制器，HMI是作為人機(jī)交互界面，控制對(duì)象為Factory IO的執(zhí)行元件。

3.2 控制系統(tǒng)I/O分配表

I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

3.3 基于TIA Portal的程序設(shè)計(jì)

由西門子打造的TIA Portal，是一款全集成自動(dòng)化的編程軟件，可使用于仿真操作和PLC編程。該軟件作為行業(yè)內(nèi)部首個(gè)采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化編程軟件，可以適用于極大部分自動(dòng)化任務(wù)。此外，S7-PLCSIM、WinCC flexible等軟件包在此平臺(tái)上的運(yùn)行可以讓使用者方便、快捷、直觀地開(kāi)發(fā)和調(diào)試控制系統(tǒng)。S7-1200編程采用模塊化編程思路，OB塊可直接和系統(tǒng)對(duì)接編程，F(xiàn)B塊、FC塊與DB塊為用戶主要的編程塊，OB塊和其他塊之間如同主函數(shù)和子函數(shù)之間的關(guān)系?？刂瞥绦蜃屆恳还δ艹绦蚰K完成某一明確的任務(wù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，易于調(diào)試、查錯(cuò)、維護(hù)，更便于拓展。本項(xiàng)目控制程序功能圖如圖2所示。

圖2 程序功能圖

4 觸摸屏組態(tài)

根據(jù)本控制系統(tǒng)的需要，利用選擇TIA Portal也可對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行HMI組態(tài)，在觸摸屏上進(jìn)行調(diào)試。選擇SIMATIC精簡(jiǎn)系列面板中的7英寸顯示屏，組態(tài)自動(dòng)運(yùn)行模式畫面如圖3所示。畫面包括：按鈕（Auto、Running、啟動(dòng)按鈕、復(fù)位按鈕、停止按鈕、急停）；指示燈（Green Light、Yellow Light、Red Light、Start Light、Reset Light、Stop Light）；顯示器（小物件數(shù)量、中等物件數(shù)量、大物件數(shù)量）；畫面切換鍵（手動(dòng)運(yùn)行模式）。

圖3 自動(dòng)模式畫面

5 TIA Portal與Factory IO聯(lián)合仿真

在TIA Portal與Factory IO連接時(shí)，需要提前下載Factory IO官方發(fā)布連接TIA Portal的功能模塊。該模塊包含了TIA Portal與Factory IO通信的串口，提供了兩者連接的“橋梁”。在Factory IO中將程序設(shè)計(jì)用到的IO變量與PLC的輸入輸出地址進(jìn)行連接配置，如圖4所示。選擇文件→驅(qū)動(dòng)，在頁(yè)面上方選擇Siemens S7-PLCSIM，在Factory IO文件→驅(qū)動(dòng)頁(yè)面右上角選擇配置，在配置里把自動(dòng)連接打上對(duì)鉤，類別選擇為1200PLC。連接成功時(shí)，F(xiàn)actory IO場(chǎng)景頁(yè)面右下角的Siemens S7-PLCSIM前的紅色感嘆號(hào)會(huì)變成綠色。就可以進(jìn)行仿真測(cè)試了。調(diào)試時(shí)，可啟用監(jiān)視查看程序是否正常運(yùn)行。如果在程序運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，需要修改程序時(shí)，則需要在TIA Portal中點(diǎn)擊使程序進(jìn)入離線后，可修改程序。修改完成后重新下載，再次運(yùn)行。

圖4 IO配置

6 教學(xué)中應(yīng)用

基于Factory IO和TIA Portal聯(lián)合仿真的智能物流分揀控制系統(tǒng)可作為“PLC應(yīng)用技術(shù)”課程的一個(gè)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行，也可作“PLC應(yīng)用技術(shù)”的課程設(shè)計(jì)供學(xué)生進(jìn)行練習(xí)。學(xué)生們也可按照本設(shè)計(jì)提供的思路和方法，通過(guò)軟件中提供的不同模塊、不同場(chǎng)景，在虛擬數(shù)字化工廠里組建其他工作場(chǎng)景，通過(guò)TIA Portal編寫控制程序，通過(guò)PLCSIM控制Factory IO中各種虛擬元器件，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜PLC控制系統(tǒng)的綜合訓(xùn)練，學(xué)有余力的同學(xué)也可以利用WinCC flexible組態(tài)觸摸屏配合現(xiàn)場(chǎng)控制。師生只要有足夠的想象力與創(chuàng)造力，即使沒(méi)有PLC、沒(méi)有控制對(duì)象，也能設(shè)計(jì)出各種各樣復(fù)雜的控制系統(tǒng)。教師采用此方法可豐富教學(xué)形式，活躍教學(xué)氣氛，拓寬教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生采用此方法可隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、設(shè)計(jì)與研究，極大拓展了實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間和空間。

7 結(jié)語(yǔ)

Factory IO和TIA Portal聯(lián)合仿真的方法不僅能再現(xiàn)逼真的工業(yè)場(chǎng)景，而且能對(duì)控制程序進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬對(duì)象的仿真控制。這種虛擬仿真的實(shí)踐教學(xué)方法增強(qiáng)了PLC教學(xué)的直觀性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了實(shí)踐教學(xué)的效率，能夠全面鍛煉學(xué)生對(duì)PLC的綜合應(yīng)用能力，具有良好的教學(xué)效果和推廣價(jià)值。