基于TIA Portal 和Factory IO 联合仿真的PLC 教学研究

◎尤向阳 刘志强 严 风 郭 琦

(1.三门峡职业技术学院智能制造学院；2.河南科技大学应用工程学院，河南 三门峡 472000)

在PLC 应用技术课程实践教学中，实训工位有限，实训设备建设成本高、使用中容易引起机械故障[1]、维护困难、实训安全不易保障。充分利用虚拟仿真技术和信息化技术，引进Factory IO 软件，与西门子博图软件联合，只要拥有一台电脑就可以进行PLC 控制系统的搭建、程序的设计和可视化运行调试[2]。学生在课内外随时可以进行学习训练，拓展实训教学的时间和空间，能极大的提高教学效率。同时有利于教师丰富教学形式，活跃教学气氛，拓宽教学内容。

一、Fa ctory IO 场景搭建

（一）典型场景

Factory IO 软案件中附带21 个场景[3]，是一款享誉欧洲的PLC 虚拟仿真软件。可以在“场景”选项卡下访问。PLC 实践教学中常用的典型控制场景有以下6 个。

（1）从A 到B。目标是运输箱子，直到到达传感器。

（2）从A 到B（设置和重置）。目标是将盒子从传感器a 运送到传感器B。

（3）灌装罐（定时器）。目标是使用计时器加注和排空油箱。

（4）项目队列（计数器）。目标是在输送机上装载和卸载三个箱子。

（5）汇编。目标是使用两轴拾取和放置，组装由盖子和底座制成的零件。

（6）自动化仓库。目标是从货架上运输、存储和取回箱子。

在场景中可以使用相机实现与场景内各部件交互。相机有“环绕”“飞行”和“第一人称”三种模式，不同相机视角下可以观察到控制对象的不同细节特征，整个模拟对象形象逼真。如图1 所示的双传送带控制场景。

图1 FactoyIO 中的控制场景图

（二）自我创建控制场景

Factory IO 包括大量最常见工业设备零部件。通过将这些各种元器件、传感器、驱动器等零件放置并排列在一起，可以创建虚拟工厂。师生可以根据教学需求自行构思和搭建工业控制现场，并且联合PLC 进行仿真。[3]例如，教学中常用的简单分拣系统创建步骤如下。

（1）从元件库中选择“重载零件”类别，然后单击鼠标左键，将辊道输送机（2 米）拖动到场景中。创建新零件时，它会自动变为选中状态，由白色边界框表示。拖动选定的零件时，它将在水平面上移动；要垂直移动，需按V 键并拖动。如图2 所示。

图2 将零件拖动到场景图

（2）选择“传感器”类别，然后单击鼠标左键并拖动漫反射传感器到传送带的边缘。如图3 所示，并将复制传感器到传送带的另一端。

图3 放置漫反射传感器图

（3）将输送机与传感器零件组合在一起，复制并旋转。得到三组输送机和传感器。并添加转盘放到三条输送机中间，布局如图4。需要注意是输送机上白色箭头指示的流向。

图4 简单分拣系统图

图5 手动控制操作步骤图

（4）将托盘放在第一个输送机的顶部。就完成了一个简单分拣装置的搭建，搭建好的场景可以保存到“我的场景”中，方便以后使用。

二、手动控制场景

在使用外部控制器（PLC）控制场景之前，通常要求学生先手动测试。这样可以确保场景布局按预期工作。手动测试前，首先引导学生了解标签是什么，以及如何使用它们来控制部件。传感器或执行器的任何部件都至少有一个标签。标签由名称和值组成，可以有两种不同类型：传感器标签和执行器标签。它们可以保存三种不同的数据类型：布尔值表示开/关值，浮点值表示模拟值（实数），整数表示特定数据。标签的值可以随时强制，让学生扮演控制器的角色，手动控制场景，使学生在编写PLC 控制程序之前通过自身体验，了解并熟悉控制系统的控制逻辑。

比如，在图4 的简单分拣场景中，让学生尝试将托盘运输到左侧输送机的步骤如下：

（1）单击播放按钮1 切换到运行模式。

（2）点击执行器标签按钮2，显示执行器标签。

（3）左键单击输送机标签，强制启动输送机，可以看到托盘运动，并能听到输送机滚筒转动的声音，给学生以身临其境的感觉。

三、使用P LC 控制

（一）驱动程序配置

使用PLC 控制时需要学生先了解I/O 驱动程序以及如何使用它们。I/O 驱动程序是Factory IO的内置功能，负责与外部控制器“对话”。Factory IO 包括许多I/O 驱动程序，每个驱动程序用于特定的控制器。根据我校电气自动化技术专业PLC教学用的机型，我们选择西门子1200PLC 为控制器。配置1200PLC 控制器的驱动程序的步骤如下，该步骤也适用于其他机型的驱动程序配置。

（1）打开驱动程序窗口，通过左键单击从列表中选择Siemens S7-1200/1500 Ethernet driver。

（2）单击配置按钮，根据PLC 型号和IP 地址设置驱动程序。打开驱动程序配置，选择S7-1200型号，并在主机字段中填写PLC 的IP 地址。单击后退箭头（或ESC 键）继续下一步。

（3）按下“连接”按钮以连接到PLC。驱动程序列表旁边会显示一个绿色符号，表示连接成功。

（4）将每个标记拖放到目标端口上就完成了I/O 驱动程序的配置。

（二）基于博图的程序设计

西门子博图软件是一款全集成自动化编程软件。该软件采用统一的工程组态和自动化编程环境，能够方便地开发现代电气控制系统并进行直观的调试。博图采用模块化编程的方法进行项目开发，在组织块(OB1)中调用功能（FC）或功能块（FB）来实现控制程序的执行。实践教学要注意引导学生充分体验模块化编程的优点。

四、博图与Fa ctory IO 联合仿真

采用博图与Factory IO 联合仿真开展式教学时，需要有一个Factory IO 的工程模板FC9000。在工程模板组态的有一款1214 的CPU，其固件版本为V4.2。同时硬件组态还有一个7 寸的西门子精智触摸屏作为人机交互的界面，二者通过以太网组态到同一个网段。学生编程用电脑的IP 地址也要和他们设置到同一网段。更重要的是工程模板中在PLC 程序块中提供了一个叫MHJPLC -Lab -Function -S71200 的功能FC9000，FC9000 提供了Factory IO 与TIA Portal 两者间连接的“桥梁”。在编写程序时，必须在主程序Main [OB] 中调用该功能才能实现Factory IO 与TIA Portal 的联合仿真。

实践教学中，学生们通过博图编写控制程序控制Factory IO 中各种虚拟对象，实现对各种复杂电气系统的PLC 控制。同时，也可以训练学生对触摸屏进行组态及使用Wincc flexible 配合现场控制的能力。只要学生积极思考，主动创造，即可在没有控制器和控制对象的请路况下，设计出各种各样复杂的现代电气控制系统。联合仿真的实践教学方法极大拓展了PLC 实践教学的时间和空间。采用此方法开展PLC 应用技术实践教学，学生可随时随地进行学习与训练，教师可丰富教学项目内容，活跃教学活动气氛。

五、效果分析

为了解本仿真教学项目应用于PLC 课程的实训教学的优缺点，选取三门峡职业技术学院智能制造专业群学生为研究对象，采用教学成绩对比和调查问卷两种方式分析教学实施效果。为使成绩更具可比性，选取相同专业不同年级的学生，将采用传统实训教学与采用虚拟仿真环境教学两个学期的PLC 课程成绩进行对比。两个学期使用相同教材，考试范围和难度相当，成绩对比结果如图6 所示。

图6 成绩对比结果图

由图6 可知，采用虚拟仿真平台的教学方式，学生成绩优秀率、良好率和及格率均有提高，相比传统实训教学分别提高了5%、1%、4%，不及格人数为0，且学生平均分相比传统实训教学提高了6 分。

对学生进行教学效果问卷调查，从图7 的问卷结果可知，与传统实训教学相比，81.3%的学生认为使用仿真教学项目帮助理解课程目的和内容，85%的学生认为使用仿真教学项目更能独立完成实训内容，92.4%的学生认为使用仿真教学项目更能提高课程实训效率，95%的学生认为使用仿真教学项目更能提高课程实训的安全性。然而，仍有部分学生虽能理解案例，但由于电脑技能不足，独立完成比较困难。由实践结果可知，在PLC 课程中引入虚拟仿真，对学生理解实训目的和内容有较大帮助，学生成绩均有一定提高，但学生还需进一步转变观念，主动完成课前预习和课后拓展学习。

图7 学生问卷调查结果图

六、结语

笔者设计的仿真教学项目较好的实现了电气自动化技术专业PLC 应用技术课程的综合训练目的。提出的基于博图V15.1 与Factory IO 联合仿真的实训教学方式再现了真实的工业场景，可模拟现场调试，能实现仿真控制，不仅控制过程直观、生动，而且控制成本低，实训效率高，实训效果好，显著提升了电气自动化技术专业学生的PLC 综合应用能力。