组态仿真技术在PLC教学中的交互应用

徐红明 金湖庭

摘  要：为有效解決目前PLC教学中存在的教学软硬件更新滞后、教学项目缺乏创新、教学方式不够灵活、学生学习积极性不高等问题，提出了采用全虚拟和虚实结合两种PLC教学交互方案。教学实践表明，组态仿真的虚拟控制对象，可以逼真地显示复杂控制系统的动态控制过程，减轻教师对教学硬件设施与场地的依赖，提高学生的学习兴趣，培养学生的编程能力、实践动手能力和创新能力，提高人才培养质量。

关键词：组态技术;可编程控制器（PLC）;仿真;教学改革

中图分类号：G715     文献标识码：A    文章编号：2096-3769（2021）06-039-05

可编程控制器（PLC）是以微处理器为[1]核心，集传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术为一体的一种自动控制装置，已经在现代工业控制领域得到广泛应用。[1]PLC技术是智能控制技术等自动化类专业的专业核心课，是一门工程性、实践性很强的课程[2][3]。在现阶段PLC教学中，受学校配备的PLC实训设备、工业控制对象等多种教学条件及空间的限制，在培养学生工程实践能力、综合分析能力和创新能力方面受到很大的制约。组态技术是一种工业自动化数据采集监控软件技术，可对控制过程中的各种资源进行配置，用文字或图形动态显示PLC中的开关量状态和数字量数值，生成人机界面的画面，与操作人员进行信息交互。如何在现有教学条件下，发挥组态技术的仿真和人机交互优势，研究、探索和改革PLC课程的教学方法和教学手段，不断提高教学质量，为“中国制造2025”培养更多更优秀的高素质创新型人才，具有非常重要而深远的意义。

一、可编程控制器（PLC）教学存在的问题及解决方法

近些年，项目教学法[4]、任务驱动教学法[5]等探究式教学模式在高职院校得到广泛推广，对PLC这类实践性和操作性较强的课程，这些教学方法能有效激发学生的学习兴趣和求知欲望，调动学生的学习积极性，促进学生分析问题、解决问题的能力和探索精神的培养，并已经为社会培养了大批基础扎实、具有一定实践能力的工控技术人才。但是，我们也必须清醒的看到，在高职扩招学生规模不断增加、工控技术快速发展等背景下，当前PLC教学与社会需求还存在较大差距，在课程教学方面也有一些不足之处。

1.教学软硬件更新滞后

该课程具有极强的实践性，目前市场上主流的PLC品牌有西门子、三菱等，一般授课教师会根据学校已建PLC实训室的设备，选择其中一个品牌进行教学，然而同一PLC品牌还有不同的产品系列及编程软件，以西门子为例，早期建设的PLC实训装置多以S7-200、S7-300为主，编程软件分别为STEP 7-Micro/WIN V4.0、STEP7 V5.5，然而经过多年的产品更新迭代，这些产品已经停产并面临淘汰，推出的替代产品是S7-200 SMART、S7-1200、1500等，编程软件分别为STEP 7-Micro/WIN SMART、TIA Portal V15[6]（博途）。然而，新建PLC实训室资金需求量大且周期较长，在这种情况下，一些教师还在采用S7-200开展教学，用发光二极管模拟实验效果，根本无法直观、逼真地显示复杂控制系统的动态控制过程，学生的学习兴趣和积极性自然也就不高，这样培养的学生与企业的实际需求可以说相差甚远。

2.教学项目乏善可陈

该课程具有很强的创造性，每一条指令都需要通过创造性的思维应用到生产实际中去，从工程角度出发，已经积累了丰富的教学项目和案例，如电动机控制正反转控制、Y/Δ起动控制、小车往返控制、十字路口交通灯的控制、彩灯循环控制、喷泉控制、抢答器设计、机械手控制、PLC的联网与通信等，但由于一些教师教育思想、实践教学观念陈旧，对PLC外围设备和实验模块过度依赖，专业课程之间没有很好的教学协作，也无心挖掘实训设备的潜能，制定更加有利于拓展学生思维的教学项目，这些都严重制约了学生创新能力的培养。

随着组态技术[7][8][9]的发展，利用组态软件强大的仿真能力，构造虚拟工控对象，通过PLC和控制对象间建立数据连接与通信，把PLC控制与组态仿真控制结合起来，建立经济灵活又形象直观的虚拟实训教学项目，实现对生产流程的模拟操作，该类仿真教学实训项目投入成本低，可以有效解决购置实际被控对象资金量大，占用空间大、无法及时更新、容易过时等问题，将组态仿真技术应用于PLC教学，是提高PLC课程教学质量，构建与工控技术发展相适应的实践教学的新思路。

二、组态技术与PLC教学交互方案

组态仿真技术与PLC实现有效交互，建立的虚拟仿真实训系统突破了空间限制，可以便捷地实现教学项目更新，形象生动地展现控制效果与学习成果，极大地提高了学生的成就感，锻炼学生的工程实践能力，根据不同工控产品和院校教学条件，可以采用全虚拟和虚实结合两种仿真交互方案。

1.全虚拟仿真交互方案

该方案利用校内专业机房或学生个人电脑，安装相应工控软件即可实施，适用于PLC实训设备少，产品落后，学生数较多的情况下应用，适用于交通灯控制、彩灯循环控制、喷泉控制、抢答器等教学项目的仿真实现。

西门子PLC-HMI：博途是西门子公司新发布的一个全集成化软件平台，它完美兼容了西门子S7-300、400、1200、1500等不同系列产品，集成了STEP-7 和WINCC等软件功能，利用TIA Portal可以添加不同类型的PLC控制器和人机界面（HMI），快速完成硬件配置，网络参数设定等功能，实现高效组态。它采用智能化的变量定义功能，支持变量的拖拽连接，可实现PLC和HMI的高效编程，集成的PLCSIM仿真软件在没有实际硬件的情况下，只需要在电脑上安装博途软件，即可以对所编写的程序进行仿真和联机调试，实现教学仿真交互应用。

三菱PLC-组态王：该方案交互系统，如图1所示，主要由三菱PLC编程软件GX Developer、三菱OPC服务软件MX OPC Server和组态王kingview 6.55 软件三部分组成，GXDeveloper是PLC程序编译平台，GX Simulator是三菱PLC的虚拟控制器，kingview 6.55软件组态的虚拟对象则作为PLC的控制对象，通过OPC服务软件将PLC软件与组态软件进行通信连接，实现通过PLC程序控制组态的被控对象，达到工控项目全虚拟仿真交互控制效果。[10]

2.虚实结合仿真交互方案

该方案适用于在已建PLC实训室基础上进行拓展，适用于多种混合液体控制、机械手控制等有动态过程的教学项目仿真交互，主要利用监视与控制通用系统（MCGS）触摸屏[11][12]和PLC构建如图2所示的虚实结合的仿真交互实训系统，PLC可以选用带以太网接口和RS-485通信接口的西门子S7-200 SMART或S7-1200，MCGS选用带以太网接口的嵌入式触摸屏TPC1061Ti，PLC、MCGS、编程电脑通过工控交换机实现通信连接，可根据教学项目需要，多人共用一套实训设备进行编程，并进行综合联机调试。

三、组态仿真技术与PLC交互教学实例

以PLC教学中的两种液体混合PLC控制系统为例，教学项目系统示意图如图3所示。

在传统的教学和项目实践中，学生主要依据系统示意图进行功能分析和程序编写，调试时无法直观看到阀件动作、液体流动、液位升降等动态过程显示，功能单一，枯燥乏味。利用组态仿真技术，按照工业控制实际需要对其进行功能完善和优化，组建虚实结合的交互实训系统开展教学。

1.控制要求

完善后的控制系统功能要求描述如下：

初始状态：液罐容器为空，阀A～阀C均处于关闭状态，低、中、高三个液位开关L1～L3都处于断开状态，搅拌电动机M处于停止状态，加热管处于停止状态。

系统运行：按下启动按钮，控制系统开始工作，先打开阀A，向液罐注入液体A，液位持续上升，当液位达到中液位时，液位开关L2接通，关闭阀A，打开阀B，开始向液罐注入液体B，当液面到达高液位时，液位开关L1接通，关闭阀B，此时搅拌电动机M启动，搅拌液体30S后停止。然后，系统启动2个加热管，开始对混合液体进行加热，当温度传感器检测到液体的温度达到60度时，加热管停止工作，并自动将阀C打开，开始排放混合液体，液位持续下降，当液面降至低液位以下时，液位开关L1由接通转为断开，并进行计时，待再排放10S后，阀C关闭，此时液罐容器放空，然后按照上述规律连续循环运行，直至按下停止按钮。工作过程中，若加热器出现故障，导致液体温度超过75度时，自动触发报警，温度报警灯闪烁。

工作模式：控制系统可以进行手动/自动、单周/连续工作模式切换，默认处于自动控制、连续运行模式，若切换到手动控制，所有阀件及流程由手动操作完成，切换到单周运行模式，程序运行一个循环后停止，系统恢复到初始状态。

系统停止：自动控制工作模式下，按下停止按钮，系统需要完成当前工作周期后停止，并恢复到初始状态。

辅助控制：液位开关的状态控制通过手动输入信号进行模拟，液体温度变化通过程序模拟。

2.I/O分配

对上述控制功能和要求进行分析，用西门子S7-200 SMART和MCGSTPC1061Ti构建虚实结合的仿真交互系统，PLC输入输出地址分配，如表1所示，因PLC输入均为虚拟信号，故不采用输入寄存器I，而是采用中间寄存器M作为输入信号。

3.PLC程序设计

打开STEP 7-Micro/WIN SMART软件，在系统块的CPU下拉菜单中选择 ST20（DC/DC/DC），以太网端口设置IP地址为192.168.0.3，在程序块中编写PLC程序，包括主程序和公共程序、手动程序、自动程序三个子程序，还有温度检测中断程序，公共程序主要完成上电初始化及参数设置，并按采样时间执行温度检测中断程序检测计算的温度值，手动程序和自动程序通过按钮M0.2进行切换操作，自动程序顺序功能，如图4所示。

4.人机界面组态设计

打开MCGS7.7组态软件[13][14]，新建工程，选择TPC类型TPC1061Ti，在实时数据库中添加项目中需要的变量，并按照项目控制要求对阀、搅拌电动机、加热器，液位等进行组态，加热器温度可以通过温度变化程序或拖拽温度标尺模拟改变，并在温度值窗口显示，组态的人机交互界面，如图5所示。

5.联机与调试

两种液体混合控制系统人机交互界面组态完成后，打开MCGS软件设备组态窗口，在通用串口父设备下添加子设备西门子Smart 200，设置本地组态屏IP地址与远程PLC的IP地址在同一网段，把连接变量和PLC输入输出通道地址对应连接，实现PLC与虚拟对象的通信交互，联机调试修改完善系统设计，直至达到控制功能描述的要求。

6.教学实施

利用上述设计的虚实结合教学项目可以按以下步骤展开教学活动，第一步，教师进行项目演示，明确告知本项目的教学目标和任务要求，提出相应问题，并依次進行项目相关的技术引导、知识引导和应用引导;第二步，在教师引导的基础上，学生进行相关问题的思考和知识点的学习，以小组协作的方式，完成PLC程序编制、触摸屏交互界面设计、联机调试和项目总结;第三步，项目成果展示和交流，学生对自己的项目完成情况进行自我评估，小组间进行互评评估、教师进行总体评估。

三、结语

组态仿真技术在PLC教学中的交互应用，有效解决了目前PLC教学普遍存在的教学软硬件更新滞后、教学项目缺乏创新、教学方式不够灵活、学生学习积极性不高等问题，实现PLC控制技术与工控组态技术课程联动，完成PLC与人机界面协同设计，深刻体会和理解控制系统项目设计的全流程，提升教学环节清晰度，提高教学过程开放度、学生学习参与度和教学资源生成度，教学目标达成度明显提高，并大大减轻教师对硬件设施与场地的依赖，在实训安全、维护投入和教学效果等方面均具有显著优势，也为开放 、创新性实践教学提供了平台。

参考文献：

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Research on the Application of Configuration Simulation Technology in PLC Teaching

XU Hong-ming， JIN Hu-ting

（Marine Department of Zhejiang Institute of Communications， Hangzhou 311112， China）

Abstract： In order to effectively solve the problems in PLC teaching， such as the outdated teaching hardware and software， the lack of innovation in teaching projects， the inflexibility of teaching methods and the low rate of involvement of students， two ways of interactive teaching modes， fully virtual and virtual-real are proposed. Practice shows that the virtual control object with configuration simulation can vividly display the dynamic control process of complex control system， make teachers less dependent on teaching hardware and teaching sites， arouse students' interest in learning， cultivate students' ability in programming， practice and innovation thus to raise the standard of competency of college graduates.

Key words： Configuration Technology; PLC; Simulation; Teaching Reform

收稿日期：2021-05-13

作者简介：徐红明（1978），男，浙江东阳人，硕士，副教授，研究方向为自动控制与仿真。

本文为浙江省高校访问工程师“校企合作项目”（FG2017013）和浙江省高等教育“十三五”教学改革研究项目“‘1+X证书制度背景下智能控制技术专业‘多课联动、书证融通人才培养模式研究与实践”（jg20190699）的部分研究成果。