虚拟仿真系统在PLC课程教学中的应用

韩锐

摘 要：针对PLC教学实践中的实际情况，笔者提出了一种基于Factory IO与西门子PLC-SIM协同仿真的虚拟化仿真系统的设计方案。本文以木箱传送实验为例，阐述该系统在整个课程教学中的实施过程，并对实施结果进行分析与评价。

关键词：PLC教学 虚拟化仿真 Factory IO

近年来，伴随着我国职业教育的大力发展，越来越多的学子有机会进入高等院校进行深造。然而伴随着学生人数的增多，学校的许多教学资源面临严峻的考验，特别是在师资以及实验设备上表现得尤为突出。这明显违背了职业教育强调“做与学一体化”培养技能型人才的目标。与此同时，实验设备因实验频率的提高必然导致损耗的加剧，增加了教学成本，这也是各学校面临的主要困难。为弥补PLC课程教学设备的不足，设计了一种基于西门子PLC-SIM与Factory IO的虚拟化仿真系统，该系统不仅可以直观、动态地模拟PLC在工业场景下的运行状态，还可通过该系统直观地显示PLC以及其他传感器的动作状态。虚拟化系统的引入有效地解决了原先仅使用PLC仿真而造成的教学枯燥无味、程序抽象难懂的问题，实现了PLC运行过程所见即所得的动态演示效果，进而达到较好的教学训练效果。

一、虚拟化仿真系统的设计

虚拟化仿真系统主要由PLC程序编辑模块、PLC实验仿真模块以及PLC场景应用模块组成。系统结构如图1所示。仿真系统通过在一台PC机上同时安装PLC300仿真调试软件PLC-SIM、工业现场仿真设计软件Factory IO和PLC编程软件TIA Portal v14实现仿真功能。

PLC程序编辑模块采用西门子公司官方推荐的PLC程序编写软件TIA Portal V14集成开发环境进行程序的编写调试工作。在仿真环节中，学生先使用PLCSIM软件对PLC进行仿真调试，待仿真成功后，将刚才编写好的程序下载到实体PLC中，利用应用场景仿真模块进行三维立体仿真演示。这种虚拟仿真与实体验证相结合的设计模式缓解了因PLC数量不足而造成的教学资源紧张状况，提高了PLC实体器件的使用效率。

二、实验方案设计

本设计以传送带传送木箱为例，按照难度高低划分依次分为：PLC虚拟仿真平台搭建、教学实践环境介绍、基础知识内容讲授、系统运行原理分析、针对性拓展训练以及故障检测与排除六个环节。各环节具体分析如下。

1.PLC虚拟仿真平台搭建

教师安装虚拟化仿真平台所需的软件后，让学生掌握仿真环境的搭建并且熟悉仿真系统的组织架构，从而为后续传送木箱实验打下良好的基础。搭建过程中，每一位学生均需按照个人姓名拼音缩写和学号命名创建个人仿真目录，以便教师日后统计学生的完成情况，同时也避免了因工程文件无序放置而造成的系统异常情况，培养了学生的工程管理意识。

2.教学实践环境介绍

教师引导学生调试并运行软件自带的基础案例来熟悉虚拟仿真系统的使用。这一过程要求学生掌握项目的创建、场景布局以及程序编写调试技巧。本设计要求学生根据给出的传送带传送木箱场景图绘制实验所需场景并设置相应功能。由于此部分难度设置较低，在学生掌握项目创建方法后，教师还可根据Factory IO的驱动连接界面补充讲解PLC的IO引脚功能，便于日后PLC功能指令的讲解。

3.基础知识讲解

根据课程设计需要，教师重点讲解本次实践所需要的相关知识点。以本例中传送带搬运木箱实验为例，首先根据学生前续课程的掌握情况对以前学过的知识进行复习，然后结合虚拟仿真平台的运行环境讲解课程所需的基础知识。本例中需要向学生讲解的知识点有常开常闭触点的使用方法、“启保停”电路的设计方法以及对应的PLC接线方法。在完成以上内容的讲解后还可根据需要进行拓展，增加定时器等其他基础指令的学习。此部分的教学需要结合虚拟平台对指令内容进行分块讲解，让学生能够对每个知识点进行充分的理解掌握。

4.系统运行原理分析

以图2木箱搬运的虚拟仿真实验为例，教师首先对系统按照实际正常的运行速度进行仿真，然后针对教学过程中存在的难点部分进行慢速演示，其目的是让学生对整个实验的运行过程有一个完整清晰的认识。与基础知识讲解不同的是，这部分的慢速演示强调教学演示的完整性，即在完整演示PLC运行过程的前提下，利用慢速运行的特点来重点解释教学中的难点疑点，通过正常和慢速两种运行模式的演示讲解，使学生能够全局性地把握整个实验的运行过程。

5.针对性拓展训练

在传统的PLC教学中，受限于教学资源的限制，许多教学任务不得不依赖于教具厂商给出的实验指导手册来设计进行，所作修改极为有限。在虚拟化仿真系统的教学中，教师可根据自己的需要，通过重新组合平台已有的各个器件对实验所需的仿真场景进行拓展和设计。图3为木箱搬運拓展训练情景，在原有的两个传送带基础上，可以通过增加新的传感器以及另外两条传送带，实现木箱由一面向多面传送的功能。这一部分通过增加训练模块，使学生可以在原有任务的基础上思考如何依据现有条件实现功能的拓展，在强化原有知识掌握的基础上，提升学生思考的广度和深度。

6.故障检测与排除

在虚拟化仿真系统中，故障错误的设置可通过改变虚拟仿真场景的某些参数进行模拟。如图4中“Remover 1”所示，在虚拟仿真场景软件Factory IO中当某器件被标记为“FORCED”状态时，该器件不再接收或发送信号给其他外围器件，此现象等同于实际场景中的器件异常失联情况。利用此特性，学生可根据观察到的现象对出现故障的设备进行故障排错与检修。

在本例中，可将部分传感器信号设定为“FORCED”状态，引导学生通过观察木箱运动状况启发学生排除相应故障。相比于利用实体器件进行现实场景故障排错的教学模式，该方法可有效避免操作错误引起的设备损坏以及操作失误造成的意外伤害。同理，基于此种特性该方法还可以模拟更多实际操作中无法模拟的危险状况下的故障。

三、实验效果分析

在PLC教学过程中引入该虚拟化系统，从教学的角度而言，教师可以根据课程需要，更加灵活地安排课程内容，避免了原来受限于实验场地而造成的课程应用场景单一化的缺陷，同时还可借助虚拟仿真系统的慢放以及场景调试功能。虚拟化平台可以更好地展现工业环境下PLC的运行情况并模拟异常情况下的系统运行状态，丰富了教学设计案例的多样性。

从学生的参与度而言，该平台极大地提高了学生的积极性。在过去的分组教学中，由于教学资源的限制，学生很难在指定时间内细致地观察实验过程，同时，枯燥乏味的实验也很难激发学生的兴趣。通过使用虚拟化系统，学生可以根据自己的需要随时改变实验场景，仿真不同的PLC的型号，对于课上没有完成的任务还可以利用课余时间进行观察仿真。

四、小结

本次实验设计从PLC教学的实际情况出发，以木箱搬运作为教学案例，结合实际教学过程中出现的问题，采用虚拟化仿真系统的PLC实验教学方案，在解决日益增长的学生数量与教学资源短缺之间矛盾的同时，也使PLC教学应用场景得到了极大的拓展。

实践证明，该设计充分体现了虚拟化系统的先进性，这种教学方式能够以一种高效的方式满足教学需求，学生参与度高，教学效果明显。当然，该设计仍然可做进一步优化，如引入更多的虚拟化现场仿真软件以满足除西门子之外其他PLC厂家的教学需要。这些笔者将在后续的教学过程中逐步探索与实践。

参考文献：

[1]曾少宁.基于GitHub平台的协同式实验教学方法[J].计算机教育，2016（12）.

[2]周天沛.虚拟PLC仿真实验平台的设计[J].工业仪表与自动化装置，2016（2）.

（作者单位：苏州健雄职业技术学院）