虛擬仿真軟件在專(zhuān)業(yè)群課程S7-1200 PLC教學(xué)中的應(yīng)用

溫玉春 王京

摘?要：電氣控制與PLC控制技術(shù)作為我院機(jī)械制造與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)群的一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)課，其實(shí)踐性和應(yīng)用性都很強(qiáng)。但新冠肺炎疫情爆發(fā)后，很多高校進(jìn)入線上教學(xué)，學(xué)生無(wú)法接觸到PLC實(shí)際設(shè)備，給本來(lái)教學(xué)難度就很大，設(shè)備資源不足的PLC課程教學(xué)提出了新的要求。將仿真軟件引入教學(xué)，采用虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式，以提高教學(xué)效果。本文以S7-1200PLC為例，就虛擬仿真軟件的選擇、虛擬仿真軟件在S7-1200PLC教學(xué)中應(yīng)用實(shí)踐及教學(xué)效果等方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：線上教學(xué)；虛擬仿真軟件；S7-1200PLC教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.10.088

0?引言

隨著工業(yè)“4.0”和“中國(guó)制造2025”的出臺(tái)，企業(yè)的升級(jí)改造勢(shì)在必行，我國(guó)需要大批量從事自動(dòng)化工程技術(shù)的高技能人才，而高職學(xué)生將會(huì)占據(jù)較大比重?！峨姎饪刂婆cPLC控制技術(shù)》作為我院專(zhuān)業(yè)群的一門(mén)核心課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的能力以及從事相關(guān)職業(yè)崗位所具備的職業(yè)素養(yǎng)。PLC課程的專(zhuān)業(yè)性和應(yīng)用性非常強(qiáng)，自2020年新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，很多高校轉(zhuǎn)入線上教學(xué)，學(xué)生無(wú)法接觸到配套設(shè)備，他們嚴(yán)重缺乏實(shí)踐訓(xùn)練，教學(xué)難度很大。為解決這一問(wèn)題，將仿真軟件應(yīng)用到PLC教學(xué)中，配合任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，能夠培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)發(fā)PLC控制系統(tǒng)的基本工程能力和相關(guān)職業(yè)能力。

一個(gè)PLC控制系統(tǒng)，包括硬件電路和軟件程序兩個(gè)部分，這就要求學(xué)生既能進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試；又能進(jìn)行PLC控制程序的編寫(xiě)和調(diào)試。因此，要選擇滿足以上兩個(gè)要求的仿真軟件。

1?仿真軟件的選擇

西門(mén)子系列PLC在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占比第一，S7-1200系列屬于中小型PLC，是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，因其產(chǎn)品序列多，通信功能強(qiáng)、擴(kuò)展模塊豐富被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)化產(chǎn)線、智能制造、機(jī)器人等各行各業(yè)。以下就S7-1200PLC教學(xué)中如何選擇合適的仿真軟件進(jìn)行分析。

1.1?TIA（博途）PLC?SIM仿真軟件

S7-1200PLC對(duì)應(yīng)的編程軟件是TIA（博途），該軟件是西門(mén)子公司發(fā)布的一款全新的全集成自動(dòng)化軟件，功能強(qiáng)大。TIA軟件有其配套的仿真軟件PLC?SIM仿真器，在安裝TIA軟件時(shí)，如果安裝了PLC?SIM軟件就可以使用，需要注意的是CPU的固件版本必須在4.0以上才支持仿真功能。該軟件除了對(duì)一般的邏輯控制程序進(jìn)行仿真外，還可以仿真PLC與觸摸屏之間的通信。但這款軟件無(wú)法對(duì)外圍硬件設(shè)備進(jìn)行直觀地演示，也做不到學(xué)生關(guān)于硬件電路的安裝與調(diào)試方面的訓(xùn)練。這對(duì)于還不了解PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成、不理解PLC控制系統(tǒng)工作過(guò)程的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這款仿真軟件顯然不能滿足教學(xué)要求，無(wú)法突破課程難度。該軟件的使用需要學(xué)生具有一定的PLC控制系統(tǒng)的知識(shí)儲(chǔ)備，這就需要一款過(guò)渡的仿真軟件。

1.2?宇龍機(jī)電控制仿真軟件

應(yīng)用宇龍仿真軟件，學(xué)生可以自由搭建硬件平臺(tái)，還可以編制對(duì)應(yīng)的控制程序。該仿真軟件是由上海宇龍軟件工程有限公司參照職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合典型職業(yè)能力的要求研發(fā)的，能基本實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程的對(duì)接。軟件分為桌面軟件和在線仿真兩種，桌面軟件需要密鑰；在線仿真需要賬號(hào)，在線仿真配備了強(qiáng)大的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，教師可以創(chuàng)建課程，發(fā)布任務(wù)，查看學(xué)生完成的進(jìn)度。學(xué)生完成任務(wù)后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)評(píng)分。該仿真軟件能模擬仿真場(chǎng)景，讓原本枯燥的理論知識(shí)通過(guò)仿真軟件生動(dòng)地展現(xiàn)在學(xué)生的眼前，也提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是該仿真軟件不能完全仿真出TIA編程軟件的強(qiáng)大功能，比如PLC與其他設(shè)備的通信、觸摸屏的組態(tài)等，該仿真軟件暫時(shí)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此這款軟件也不能完全滿足教學(xué)要求。

通過(guò)以上分析，以上任何一款軟件都無(wú)法獨(dú)自滿足教學(xué)要求，本文綜合應(yīng)用以上兩款仿真軟件展開(kāi)教學(xué)，取長(zhǎng)補(bǔ)短以提高教學(xué)效果。

2?仿真軟件在S7-1200PLC教學(xué)中的應(yīng)用

在S7-1200PLC教學(xué)中，先利用宇龍機(jī)電仿真軟件，使學(xué)生對(duì)PLC控制系統(tǒng)有了基本認(rèn)識(shí)，再利用TIA（博途）配合PLC?SIM仿真軟件重點(diǎn)訓(xùn)練指令的應(yīng)用。虛實(shí)結(jié)合，S?7-1200PLC整門(mén)課程的教學(xué)大致分為三個(gè)階段。

2.1?利用宇龍仿真軟件搭建小型PLC控制系統(tǒng)

課程開(kāi)始階段，利用宇龍機(jī)電仿真軟件，讓學(xué)生按照老師的啟發(fā)，一步一步搭建硬件平臺(tái)，完成程序編輯和系統(tǒng)調(diào)試，使學(xué)生初步建立PLC控制系統(tǒng)的概念，了解PLC控制系統(tǒng)的組成，理解PLC控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，能完成簡(jiǎn)單PLC控制系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。安裝好軟件，在桌面形成該軟件的快捷方式，雙擊打開(kāi)后，在彈出的窗口中輸入申請(qǐng)的賬號(hào)和密碼進(jìn)行登錄，登錄完成后默認(rèn)進(jìn)入“宇龍機(jī)電控制仿真軟件”的“機(jī)電控制系統(tǒng)”功能界面，如圖1所示，空白部分即為機(jī)電控制仿真平臺(tái)。

在“機(jī)電控制系統(tǒng)”功能界面中，學(xué)生點(diǎn)擊左邊“元器件”即可選擇所需的元器件，包括繼電器、主令電器、低壓斷路器、接觸器、熔斷器、PLC、各種電源、電動(dòng)機(jī)等。選中后，在繪圖區(qū)域單擊鼠標(biāo)左鍵即可放下元件。各元件的位置可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；然后通過(guò)選擇工具欄中的“導(dǎo)線”，即可完成各個(gè)元器件之間的連接，在接線的過(guò)程中，可利用工具欄中切換視圖按鈕進(jìn)行視圖的切換。圖2為利用宇龍仿真軟件搭建的“PLC實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)”的硬件電路，右鍵點(diǎn)擊PLC，可進(jìn)入編程界面進(jìn)行控制程序的編寫(xiě)、調(diào)試及運(yùn)行，這一階段鍛煉學(xué)生的硬件搭建和PLC初步編程能力。

2.2?利用宇龍?jiān)诰€仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)訓(xùn)練學(xué)生編程能力

學(xué)生熟悉了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，具備PLC控制系統(tǒng)的硬件接線能力后，重點(diǎn)練習(xí)編程指令的應(yīng)用。利用宇龍仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中的實(shí)訓(xùn)任務(wù)進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，平臺(tái)中每一個(gè)任務(wù)，都配有自動(dòng)評(píng)分功能，學(xué)生可根據(jù)得分情況反復(fù)練習(xí)，進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí)和技能，突破課程重難點(diǎn)。圖3為在線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)任自動(dòng)門(mén)卷簾門(mén)控制程序任務(wù)硬件系統(tǒng)區(qū)（場(chǎng)景區(qū)）和程序編輯區(qū)。程序編輯區(qū)仿真TIA博途編程軟件，具有程序的編輯、下載和調(diào)試功能。學(xué)生根據(jù)控制要求，直接在編程區(qū)編寫(xiě)程序，配合給定硬件和場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行。實(shí)踐證明，教師布置的任務(wù)，學(xué)生的完成度在90%以上，平均分在80分以上，與傳統(tǒng)理論相比，學(xué)生的主觀能動(dòng)性明顯提高。

2.3?利用TIA博途PLC?SIM軟件完成虛擬仿真調(diào)試

通過(guò)以上兩個(gè)階段的訓(xùn)練，關(guān)于PLC控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，學(xué)生從觀察到實(shí)際動(dòng)手操作，完全理解了軟硬件之間的關(guān)系，可以脫離硬件設(shè)備進(jìn)行編程和調(diào)試。該階段利用真正的TIA軟件和自帶的仿真軟件PLC?SIM進(jìn)行教學(xué)，進(jìn)行編程拔高訓(xùn)練。該階段先挑選已完成的任務(wù)進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移的能力；然后利用TIA軟件學(xué)習(xí)觸摸屏組態(tài)，利用仿真軟件進(jìn)行PLC與觸摸屏的通信等方面的學(xué)習(xí)。打開(kāi)TIA編程軟件，完成設(shè)備組態(tài)和程序的編寫(xiě)后，點(diǎn)擊工具欄中的啟用仿真圖標(biāo)，即可啟用仿真，新建仿真項(xiàng)目。圖4是利用PLC?SIM完成流水燈的控制程序調(diào)試界面。這一階段除了進(jìn)行編程拔高訓(xùn)練外，也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到仿真軟件的作用和局限性，更讓學(xué)生明白學(xué)無(wú)止境的道理。

3?結(jié)論

本文提出將仿真軟件應(yīng)用在PLC教學(xué)中，配合任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，實(shí)現(xiàn)了控制對(duì)象實(shí)際運(yùn)行的計(jì)算機(jī)仿真。通過(guò)完成仿真任務(wù)，使學(xué)生理解PLC控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)一個(gè)PLC控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)PLC編程指令的用法，能夠運(yùn)用常用的編程方法完成小型控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，提高了教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

［1］許玉婷.淺析虛擬仿真軟件在電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021，（07）：180181.

[2]沈躍，黃永紅.S7-1200PLC控制技術(shù)課程教學(xué)改革[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（39）：5557.