基于TIA Potal軟件的PLCSIM虛擬仿真在PLC線上教學(xué)中的設(shè)計與實踐

移康英

摘 要：PLC技術(shù)是一門機電類專業(yè)實踐性和應(yīng)用性比較強的課程，而受當(dāng)下新冠疫情的影響，學(xué)校該課程教學(xué)過程只能采用線上理論與線下實訓(xùn)相結(jié)合的教學(xué)模式，但是，在教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)線上理論與線下實訓(xùn)教學(xué)相脫離，學(xué)生也無法很好的將線上理論知識遷移到線下實訓(xùn)課程中。為解決這一問題，本文提出將TIA Portal V15軟件與S7-PLCSIM仿真軟件引入到PLC線上理論教學(xué)過程中，以生動直觀地方式展現(xiàn)PLC指令形式、功能及模擬操作，并且教師在授課過程中，合理采用積極教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。通過線上仿真平臺直觀展示與教師引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)PLC理論知識的難度，激發(fā)了學(xué)生在線學(xué)習(xí)的興趣，并為疫情結(jié)束后線下實訓(xùn)課程打好了堅實的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：線上教學(xué) 軟件學(xué)習(xí) 虛擬仿真 積極教學(xué)法

1 引言

2015年5月，國家部署全面推進實施制造強國，許多加工制造業(yè)加快向智能化方向發(fā)展。智能化，其核心控制技術(shù)之一就是PLC技術(shù)。PLC技術(shù)即可編程控制技術(shù)，其結(jié)合了計算機技術(shù)和控制技術(shù)的特點，利用控制系統(tǒng)遵循編程指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作，其控制操作過程簡單，能有效地保證控制過程實施的安全性、可靠性以及維護的方便性[1]。因此，PLC技術(shù)覆蓋了鋼鐵、石化、汽車生產(chǎn)、電子信息等智能制造領(lǐng)域[2]。為了培養(yǎng)與企業(yè)實際崗位相對接高質(zhì)量技能型人才，增強我國的產(chǎn)業(yè)競爭力，高等院校機電類、自動化類專業(yè)廣泛開設(shè)了《PLC技術(shù)》這門課程。通過對機電類、自動化類專業(yè)學(xué)生就業(yè)意向問卷調(diào)查，大多數(shù)學(xué)生希望通過學(xué)校專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，提高自身實踐能力和項目開發(fā)能力，在畢業(yè)后能夠從事與自己專業(yè)相一致的行業(yè)，或是自主創(chuàng)業(yè)[2]。那么，疫情當(dāng)下，線上PLC理論教學(xué)過程如何合理設(shè)計，使理論和實踐融會貫通，學(xué)生獲得實踐創(chuàng)新能力，需要教師進一步探索與實踐。

本文提出線上PLC理論教學(xué)過程中搭建虛擬仿真平臺，把學(xué)生作為線上課堂的主體，通過教師引導(dǎo)，與學(xué)生同步進行線上學(xué)習(xí)活動。

2 分析PLC線上理論教學(xué)存在的問題

目前甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱：學(xué)院），面對疫情，采取線上理論和線下實訓(xùn)的教學(xué)模式。但是，從近三年線上教學(xué)效果看，成果并不理想。本人通過對PLC線上理論教學(xué)過程分析，主要存在以下幾個原因：

1.從PLC理論知識的特點來看，邏輯思維性較強，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)PLC難。如果教師在講解基礎(chǔ)知識點的時候，單純的去講授理論知識，脫離實際案例，即使學(xué)生對基礎(chǔ)知識點能準(zhǔn)確掌握，但還是不能很好地遷移至實訓(xùn)實踐中。

2.從學(xué)生層面來看，高職院校學(xué)生知識架構(gòu)比較薄弱，自學(xué)能力、自控能力也比較差，線上學(xué)習(xí)與教師空間分離的環(huán)境，PLC理論知識比較枯燥，容易讓他們對學(xué)習(xí)產(chǎn)生厭倦感。

3.從教師層面來看，有些教師對網(wǎng)絡(luò)平臺的易用性感知能力較弱[3]，喜歡沿用以往線下授課方式，PLC理論知識以講授的方式為主，涉及PLC控制案例，也只是通過觀看視頻來了解其過程，通過這種方式，教師自身吸引學(xué)生吸納知識的效果很差。

3 PLC線上理論教學(xué)內(nèi)容直觀化——虛擬仿真平臺的搭建

為了降低PLC線上理論教學(xué)難度，讓學(xué)生直觀獲取知識，使用西門子TIA Portal編程軟件與S7-PLCSIM仿真軟件搭建虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺，該學(xué)習(xí)平臺，操作界面使用引導(dǎo)性較強，易操作，穩(wěn)定性高，可對西門子全集成自動化中所涉及的自動化和驅(qū)動產(chǎn)品進行組態(tài)、編程和調(diào)試[4]。再者，對于學(xué)生，他們是在信息化環(huán)境中成長起來的，他們當(dāng)中大部分學(xué)生已經(jīng)具備了電腦操作基本素養(yǎng)[5]，他們樂意使用仿真平臺，喜歡在教師引導(dǎo)操作的過程中，跟上同步操作演練，在課后也愿意練習(xí)，極大地高沉浸式地體驗感，讓他們對PLC理論知識的學(xué)習(xí)熱情提高。

4 PLC理論課程虛擬仿真教學(xué)過程設(shè)計

1、項目導(dǎo)入

現(xiàn)以24V指示燈起保?？刂茷槔?，研究PLC理論課程虛擬仿真教學(xué)過程。項目導(dǎo)入：有一24V指示燈HL，當(dāng)按下起動按鈕SB1時，燈HL點亮；按下停止按鈕SB2時，燈HL熄滅，完成24V指示燈起保停PLC程序的編寫與調(diào)試。項目導(dǎo)入可通過觀看虛擬仿真平臺中PLC實物工作視頻，如圖1（a1、b1、c1）所示，分析24V指示燈按要求工作實際的狀態(tài)，明確輸入輸出元件工作的前后關(guān)系，即當(dāng)按下按鈕開關(guān)SB1，燈HL亮；放開按鈕開關(guān)SB1，燈HL保持亮；按下按鈕開關(guān)SB2，燈HL滅。并寫出學(xué)習(xí)完此項目后學(xué)生所要達到的學(xué)習(xí)目標(biāo)：a.描述PLC的掃描工作原理；b.描述PLC控制24V燈起保?？刂圃?；c.分清楚輸入元件，輸出元件，并能正確尋址。d.寫出編程指令：常開觸點、常閉觸點、輸出線圈指令格式；e.理清常開觸點、常閉觸點、輸出線圈間邏輯關(guān)系；f.在編程環(huán)境中，獨立完成輸入梯形圖程序，會上傳、下載程序，會在線監(jiān)控。

在幫助學(xué)生輸理清楚學(xué)習(xí)目標(biāo)后，引導(dǎo)學(xué)生觀看虛擬仿真平臺程序監(jiān)控視頻，如圖1（a2、b2、c2）所示。并提出問題：a.詳細描述PLC虛擬仿真控制過程；b.描述PLC內(nèi)部CPU執(zhí)行程序過程；c.描述PLC工作掃描原理。用提出的問題求引導(dǎo)學(xué)生觀看視頻的方法，可提高學(xué)生觀看視頻的有效性，并且設(shè)置的問題層層向目標(biāo)知識點PLC工作掃描原理靠近，大大降低了學(xué)生的理解難度。再者，PLC虛擬仿真控制過程相當(dāng)于PLC內(nèi)部CPU執(zhí)行程序過程，該過程是由PLC內(nèi)部軟元件控制，軟元件是是PLC內(nèi)部具有一定功能的器件，是等效概念抽象模擬的器件，并非實際的物理器件，因此對PLC內(nèi)部軟控制元件的控制過程的理解，對學(xué)生來說是比較抽象的。通過PLC實體工作過程與虛擬平臺仿真工作過程對比展示，將PLC內(nèi)部CPU執(zhí)行程序過程的知識直觀化，并且?guī)е鴨栴}看視頻更能夠吸引他們的注意力，提起他們的學(xué)習(xí)興趣。

接下來的任務(wù)通過虛擬仿真平臺操作演示，引導(dǎo)學(xué)生思考，在實現(xiàn)控制燈亮、保持、滅的三步驟過程中，基本指令的應(yīng)用。

2、虛擬仿真平臺操作演示

啟動TIA Portal后，新建項目24V燈起保停控制，接著組態(tài)操作，添加PLC和HMI，其中PLC型號為CPU1212C DC/DC/DV，HMI型號可根據(jù)實際情況選擇，但要注意PC、PLC及HMI的IP地址要處在同一網(wǎng)段并進行HMI連接，以便PLC與HMI數(shù)據(jù)通信。如圖2所示，PLC與HMI組態(tài)圖。

接下來添加新變量表，命名24V指示燈啟保停控制，如圖3 24V指示燈啟保停控制變量表所示，在該變量表中確定PLC的輸入、輸出元件，并為各個輸入、輸出元件分配存儲單元，即變量尋址過程，該步驟能幫助學(xué)生分清輸入元件和輸出元件，并核對元件數(shù)量。

下一步，編寫plc程序，在編寫控制24V燈啟保停程序之前，設(shè)置2個任務(wù)點，任務(wù)1點動控制24V燈，即按下點動按鈕SB3，紅燈HL1亮；釋放點動按鈕SB3，紅燈HL1滅。按下點動按鈕SB5，藍燈HL2滅；釋放點動按鈕SB4，藍燈HL2亮。提出問題：a.說出常開、常閉觸點以及輸出線圈指令的功能；b.總結(jié)出常開、常閉觸點和存儲器的位狀態(tài)關(guān)系。c.總結(jié)出點動控制原理。任務(wù)2長動控制24V燈，即按下長動按鈕SB5，黃燈HL3亮；釋放長動按鈕SB5，黃燈HL3保持亮。提出問題：a.如何使得黃燈HL3滅掉？b.任務(wù)1、2要求，總結(jié)出長動動控制原理根據(jù)。

任務(wù)1在虛擬仿真軟件操作演示圖，如圖4所示：

演示任務(wù)完成后，通過引導(dǎo)式提問的方式，與學(xué)生一起總結(jié)出常開、常閉觸點以及輸出線圈指令的功能及常開、常閉觸點和存儲器的位狀態(tài)關(guān)系，進而總結(jié)點動控制原理。

任務(wù)2在虛擬仿真軟件操作演示圖，如圖5所示：

從以上直觀演示中引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：長動按鈕按下或是釋放，黃燈一直保持亮，即在程序中給長動按鈕并聯(lián)一個地址為M10.6（黃燈HL3）的常開觸點，可實現(xiàn)在長動按鈕按下后又釋放的情況下黃燈保持亮的效果。

那接下來解決問題如何使得黃燈HL3滅掉？學(xué)生肯定的回答是用停止按鈕，那停止按鈕在程序中對應(yīng)的觸點指令是常開還是常閉，與長動按鈕的邏輯關(guān)系，這些都可通過虛擬仿真平臺演示來得出結(jié)論。停止按鈕在程序中對應(yīng)的觸點指令的選擇有兩種情況，即常開觸點或是常閉觸點，其與長動按鈕的邏輯關(guān)系可考慮兩種，即“與”關(guān)系或者是“或”關(guān)系。

最后，再次在虛擬平臺中調(diào)試、監(jiān)控，總結(jié)出長動控制的原理，即24V燈啟保?？刂圃?。

5 結(jié)論

本文在教學(xué)的過程中，教師通過TIA Portal V15軟件與S7-PLCSIM仿真軟件搭建的實驗系統(tǒng)，合理采用積極教學(xué)法組織管理課堂，與學(xué)生一起在線上實現(xiàn)了24V指示燈啟保停PLC控制系統(tǒng)的I/O分配、仿真動畫變量的設(shè)置、梯形圖的編寫及虛擬仿真調(diào)試、HMI組態(tài)界面的設(shè)置及組態(tài)動畫程序的編寫及仿真調(diào)試等。在此過程中，將PLC基礎(chǔ)知識點，通過虛擬仿真平臺演示，層層遞進安排學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生在直觀演示中，通過教師引導(dǎo)，自主總結(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)給出的知識點。在此過程中學(xué)生的能夠正真參與其中，感受自主式學(xué)習(xí)的樂趣，在空間上與教師實現(xiàn)更深層次的交流。

基金項目：2021年甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院線上教學(xué)研究項目“TIA Portal編程軟件與S7-PLCSIM仿真軟件結(jié)合在PLC線上教學(xué)中的應(yīng)用研究”（基金編號：GSJDZXJG22-01）。

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