基于虛擬仿真技術(shù)的PLC實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)研究

李秋明 劉志剛

基金項(xiàng)目：教育部2019年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201902136018）；河北省研究生課程思政示范課程項(xiàng)目（YKCSZ2022143）；東北大學(xué)秦皇島分校教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2019JG-B04）

第一作者簡介：李秋明（1979-），男，博士，高級實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)橹悄苤圃飕F(xiàn)代工程設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用等。

*通信作者：劉志剛（1975-），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知信號處理、視覺跟蹤以及行為識別與預(yù)測等。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.014

摘? 要：針對PLC實(shí)訓(xùn)平臺的特點(diǎn)及受場地、成本限制等諸多問題，該文設(shè)計(jì)一種以虛擬仿真模型為控制對象的PLC實(shí)訓(xùn)平臺。該實(shí)訓(xùn)平臺主要包括PLC和虛擬控制對象2部分，其中，虛擬控制對象由西門子NX MCD應(yīng)用模塊構(gòu)建，而兩者的數(shù)據(jù)連接則采用OPC通信方式。結(jié)果表明，該實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)能為實(shí)踐教學(xué)提供豐富的工業(yè)控制領(lǐng)域典型的虛擬控制對象，并能實(shí)現(xiàn)對控制程序的調(diào)試與仿真運(yùn)行，有效地鍛煉學(xué)生的PLC工程實(shí)踐能力，也是對傳統(tǒng)線下PLC實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞： PLC實(shí)訓(xùn)；虛擬仿真技術(shù)；MCD；OPC；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）16-0062-04

Abstract： Aiming at the characteristics of PLC training platform and the limitation of venue and cost， a PLC training platform based on virtual simulation model is designed in this paper. The training platform mainly includes two parts： PLC and virtual control object， in which the virtual control object is constructed by Siemens NX MCD application module， and the data connection between them adopts OPC communication mode. The results show that the design of the training platform can provide a wealth of typical virtual control objects in the industrial control field for practical teaching， and can realize the debugging and simulation operation of the control program， effectively exercise the students' practical ability of PLC engineering， and is also a useful supplement to the traditional offline PLC practical teaching.

Keywords： PLC training; virtual simulation technology; MCD; OPC; practice teaching

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為工業(yè)自動化核心控制器件是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)三者結(jié)合的產(chǎn)物，目前被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)自動化主要支柱之一[1-2]。鑒于PLC在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性和廣泛性，各高校一直重視PLC課程的實(shí)踐教學(xué)。然而由于實(shí)踐教學(xué)過程中缺乏合適的實(shí)訓(xùn)平臺，導(dǎo)致出現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)過程枯燥無味、學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣等問題，嚴(yán)重阻礙了PLC技術(shù)在我國的推廣和普及[3-6]。

針對上述情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于虛擬仿真技術(shù)的PLC實(shí)訓(xùn)平臺。該實(shí)訓(xùn)平臺利用西門子NX軟件的MCD應(yīng)用模塊搭建虛擬仿真模型，極大可能地還原真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，可以實(shí)時(shí)直觀地觀測控制過程。作為對傳統(tǒng)PLC實(shí)踐教學(xué)的有效補(bǔ)充，該實(shí)訓(xùn)平臺可以豐富實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用案例和增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)效果，同時(shí)也為PLC實(shí)踐教學(xué)采用線上教學(xué)方式提供了一種解決方案。

1? PLC實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的必要性

實(shí)踐教學(xué)貫穿于整個PLC課程教學(xué)過程中，而實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)是影響實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素[7-9]。目前絕大多數(shù)高校實(shí)訓(xùn)平臺的控制對象都是基于硬件的，這些硬件設(shè)備在使用過程中往往存在以下問題：第一，PLC實(shí)訓(xùn)平臺一般價(jià)格昂貴且設(shè)備占地面積大，建設(shè)PLC實(shí)驗(yàn)室需要投入大量資金及占用大量的場地資源；第二，由于PLC實(shí)訓(xùn)平臺的價(jià)格昂貴導(dǎo)致設(shè)備更新周期往往比較長，不變的實(shí)訓(xùn)平臺和不變的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會誘發(fā)學(xué)生隔屆抄襲程序，實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量較差； 第三，多數(shù)PLC實(shí)訓(xùn)平臺控制對象功能簡單，往往是一些按鈕、開關(guān)、指示燈等器件，很難反映真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，學(xué)生難以獲得真正的工程實(shí)踐鍛煉。從以上問題不難看出，實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)已經(jīng)成為PLC實(shí)踐教學(xué)的瓶頸，影響了PLC教學(xué)質(zhì)量的提高。

近年來，隨著虛擬仿真技術(shù)和通信技術(shù)的成熟及其在工業(yè)產(chǎn)線上的應(yīng)用，以虛擬仿真模型為控制對象的PLC實(shí)訓(xùn)平臺成為了現(xiàn)實(shí)。建設(shè)基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)訓(xùn)平臺首先可以降低硬件成本及節(jié)省占地資源，其次定期更換虛擬仿真控制對象也增加了實(shí)訓(xùn)平臺靈活性，更重要的是虛擬控制對象更接近真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，學(xué)生可以獲得真正的工程實(shí)踐鍛煉。因此，基于虛擬仿真的PLC實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)可以對相關(guān)專業(yè)學(xué)生的PLC工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)和實(shí)踐操作的提高起到重要作用[10]。

2? 基于UG NX的PLC實(shí)訓(xùn)平臺的構(gòu)建

UG NX軟件是西門子PLM集團(tuán)為助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化升級而推出一款用于進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工和仿真的解決方案軟件。在工業(yè)產(chǎn)線的虛擬調(diào)試應(yīng)用中，首先利用軟件中的MCD應(yīng)用模塊構(gòu)建與真實(shí)產(chǎn)線設(shè)備具有相同機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣特性的虛擬仿真模型，然后應(yīng)用OPC協(xié)議建立PLC控制器與虛擬仿真模型之間的數(shù)據(jù)連接，最后可以對整個虛擬仿真控制系統(tǒng)進(jìn)行PLC編程和調(diào)試。這樣做的目的是在物理產(chǎn)線建設(shè)之前，可以根據(jù)仿真結(jié)果的性能指標(biāo)找到產(chǎn)線的潛在問題，同時(shí)通過調(diào)整程序參數(shù)達(dá)到產(chǎn)線的優(yōu)化[11-15]。

根據(jù)MCD在產(chǎn)線虛擬調(diào)試的應(yīng)用思路來構(gòu)建PLC實(shí)訓(xùn)平臺。圖1為本文設(shè)計(jì)的2種PLC實(shí)訓(xùn)平臺架構(gòu)。其中，軟件在環(huán)仿真平臺（圖1（a））是純軟件仿真平臺，該平臺主要基于編程軟件（STEP/TIA Portal）、PLC仿真軟件（PLCSIM Advanced）及MCD虛擬仿真模型，利用編程軟件設(shè)計(jì)PLC調(diào)試程序并將其下載到PLC仿真軟件中，而PLC仿真軟件通過建立好的數(shù)據(jù)連接完成對虛擬仿真模型的控制；硬件在環(huán)仿真平臺（圖1（b））則是一種半實(shí)物半仿真平臺，與前者的不同在于利用真實(shí)的PLC硬件（S7-1200）代替PLC仿真軟件（PLCSIM Advanced）作為控制器，PLC和MCD虛擬仿真模型之間的數(shù)據(jù)連接是通過OPC服務(wù)軟件（KEPserver）來實(shí)現(xiàn)的。

2種平臺在使用上還是有差別的：軟件在環(huán)仿真平臺可以應(yīng)用在線上教學(xué)中，尤其應(yīng)對由于類似新冠感染疫情等特殊狀況時(shí)，學(xué)生不能到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的情況；而硬件在環(huán)仿真平臺可以為舊實(shí)驗(yàn)臺的升級改造提供一種解決方案，是傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充。另外，由于硬件在環(huán)仿真平臺使用真實(shí)的PLC硬件設(shè)備，這使得程序運(yùn)行節(jié)拍更接近于真實(shí)的控制過程。

（a）? 軟件在環(huán)仿真平臺? ? ? ?（b）? 硬件在環(huán)仿真平臺

圖1? PLC實(shí)訓(xùn)平臺整體架構(gòu)

3? 仿真PLC實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

接下來，基于以上仿真PLC實(shí)訓(xùn)平臺架構(gòu)并以生活中常見的電梯為例設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。主要包括構(gòu)建虛擬電梯仿真模型、建立數(shù)據(jù)連接及PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試等工作。

3.1? 虛擬仿真模型構(gòu)建

被控設(shè)備模型的構(gòu)建依據(jù)了真實(shí)電梯的機(jī)械結(jié)構(gòu)，盡可能1∶1地還原實(shí)際電梯。將構(gòu)建的電梯模型所需要的基本元件在建模環(huán)境下進(jìn)行組裝，并導(dǎo)入MCD應(yīng)用模塊進(jìn)行電梯機(jī)電概念設(shè)計(jì)。在機(jī)電概念設(shè)計(jì)功能中為電梯的外門、內(nèi)門、轎廂等設(shè)置物理屬性，并設(shè)置運(yùn)動副、執(zhí)行器、傳感器和信號適配器等功能，最后將外面信號適配器的信號與NX內(nèi)部信號進(jìn)行信號的映射。建立好的三維仿真模型如圖2所示，設(shè)計(jì)為單部4層電梯結(jié)構(gòu)。

3.2? 建立數(shù)據(jù)連接

對于硬件PLC控制系統(tǒng)，PLC與控制對象的數(shù)據(jù)連接主要通過硬件接線或者現(xiàn)場總線方式來實(shí)現(xiàn)，因此，在PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)控制工藝需要對PLC的I/O進(jìn)行分配，并根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件接線圖進(jìn)行硬件接線，而對于虛擬仿真控制系統(tǒng)兩者的數(shù)據(jù)連接則是通過軟件來實(shí)現(xiàn)。以硬件在仿真電梯實(shí)驗(yàn)平臺為例，這里，仿真電梯的內(nèi)外呼梯信號及樓層顯示通過Portal軟件里面的HMI實(shí)現(xiàn)，而虛擬電梯的平層信號，開關(guān)門到位信號、電梯門的控制信號及轎廂運(yùn)行的控制信號等與PLC的數(shù)據(jù)連接則是通過KEPserver軟件來實(shí)現(xiàn)。仿真PLC實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)據(jù)連接如圖3所示。

（a）? 正視圖? ? ? ? ? （b）? 后視圖

圖2? 三維電梯模型

圖3? 電梯仿真系統(tǒng)控制回路

3.2.1? HMI與S7-1200的數(shù)據(jù)連接

利用Portal軟件中HMI軟件人機(jī)界面功能建立與S7-1200的數(shù)據(jù)連接，HMI型號選擇KTP900 Basic PN，其網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖4所示。

圖4? 設(shè)備組態(tài)連接

3.2.2? KEPserver建立S7-1200與虛擬電梯數(shù)據(jù)連接

KEPserver作為OPC服務(wù)器，用以建立S7-1200與虛擬電梯之間的數(shù)據(jù)連接。在KEPserver中建立數(shù)據(jù)通道，并創(chuàng)建需要連接的數(shù)據(jù)。最后啟動OPC Quick Client，這時(shí)PLC與OPC服務(wù)器連接完成。接下來在MCD中找到外部信號適配器，指定KEPserver中建立的連接變量，最后通過信號映射建立虛擬電梯與PLC之間的數(shù)據(jù)連接，如圖5所示。

3.3? 電梯實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.3.1? 實(shí)驗(yàn)控制要求

基于構(gòu)建的虛擬電梯控制對象，其控制要求如下：①電梯分為手動和自動2種控制方式；②電梯在自動模式下，首先完成初始化程序，并將電梯停靠到1樓，樓層指示1樓；③按照順向截梯的原則實(shí)現(xiàn)電梯的集選控制；④電梯門會根據(jù)當(dāng)前電梯的狀態(tài)、轎廂門的狀態(tài)、呼梯信號、選層信號及平層信號狀態(tài)等，合理地進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)；⑤當(dāng)電梯平層時(shí)，需要依據(jù)時(shí)間原則進(jìn)行三級減速，待平層后，抱閘停車；⑥在運(yùn)行過程中，需要始終對當(dāng)前運(yùn)行方向、當(dāng)前樓層（采用七段數(shù)碼管顯示）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示，僅當(dāng)無呼叫指令時(shí)，運(yùn)行方向指示無指向；⑦針對選層指令中可能存在的人為誤操作進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

3.3.2? HMI畫面設(shè)計(jì)

按照控制要求，應(yīng)用HMI設(shè)計(jì)電梯的內(nèi)外呼梯信號登記及樓層的顯示，其自動控制畫面如圖6所示。

圖5? 虛擬仿真電梯與PLC之間的數(shù)據(jù)映射

圖6? 電梯運(yùn)行監(jiān)控

3.3.3? PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

在PLC與虛擬電梯及HMI之間建立好數(shù)據(jù)連接以后，就要進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，這部分工作是自動化類專業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的重點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化編程。

OB1為主循環(huán)程序塊，屬于循環(huán)掃描的程序塊，用以調(diào)用其他子程序塊。函數(shù)FC１主要實(shí)現(xiàn)電梯轎廂的速度控制；函數(shù)塊FB１是電梯初始化子程序，其背景數(shù)據(jù)塊是DB２；函數(shù)塊FB2主要控制電梯的上下行，對應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊函數(shù)塊是DB4；FB３用來控制電梯的啟停及開關(guān)門，對應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊為DB６；函數(shù)塊FB４實(shí)現(xiàn)樓層計(jì)數(shù)功能，其背景數(shù)據(jù)塊為DB５；函數(shù)塊FB5用來處理呼梯產(chǎn)生的中斷，背景數(shù)據(jù)塊為DB8；函數(shù)塊FB6用來登記呼梯信號，其背景數(shù)據(jù)塊為DB7。PLC程序結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7? PLC程序結(jié)構(gòu)

將編寫好的PLC程序下載到S7-1200處理器中，啟動KEPserver OPC服務(wù)器并運(yùn)行MCD虛擬電梯，結(jié)合HMI的操作完成PLC程序調(diào)試工作。

4? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

將基于虛擬仿真技術(shù)的PLC實(shí)訓(xùn)平臺應(yīng)用到PLC實(shí)踐教學(xué)中，取得了良好的效果。尤其是突如其來的新冠感染疫情造成學(xué)生不能返校進(jìn)行線下學(xué)習(xí)，應(yīng)用虛擬仿真PLC實(shí)踐平臺不僅圓滿完成了教學(xué)任務(wù)，而且得到了廣大學(xué)生的認(rèn)可，學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了鍛煉和提高。另外，基于此虛擬仿真PLC實(shí)踐平臺申請了學(xué)校的一流實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，并成功立項(xiàng)。目前，與校企合作單位聯(lián)合開發(fā)了更多的虛擬被控對象，并將其推廣到更多的職業(yè)教育院校的PLC實(shí)踐教學(xué)中。表1為開發(fā)的部分虛擬仿真平臺。

表1? 已開發(fā)虛擬仿真平臺（部分）

5? 結(jié)束語

本文基于西門子虛擬仿真技術(shù)搭建了一種仿真PLC實(shí)訓(xùn)平臺。該平臺利用西門子NX MCD搭建虛擬仿真控制對象，并通過OPC通信方式建立與PLC的數(shù)據(jù)連接。實(shí)踐表明，作為對傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，建設(shè)基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺可以降低硬件成本以及節(jié)省占地資源，同時(shí)，虛擬仿真控制對象更接近真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，實(shí)操過程中學(xué)生可以獲得更真實(shí)的現(xiàn)場體驗(yàn)，對相關(guān)專業(yè)學(xué)生的PLC工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)和實(shí)踐操作能力的提高起到重要的促進(jìn)作用。另外，由于仿真平臺可以采用全軟件仿真的模式，這為PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用線上教學(xué)方式提供了一種有效的解決方案。

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