虛擬仿真系統在PLC課程教學中的應用

韓銳

摘 要：針對PLC教學實踐中的實際情況，筆者提出了一種基于Factory IO與西門子PLC-SIM協同仿真的虛擬化仿真系統的設計方案。本文以木箱傳送實驗為例，闡述該系統在整個課程教學中的實施過程，并對實施結果進行分析與評價。

關鍵詞：PLC教學 虛擬化仿真 Factory IO

近年來，伴隨著我國職業教育的大力發展，越來越多的學子有機會進入高等院校進行深造。然而伴隨著學生人數的增多，學校的許多教學資源面臨嚴峻的考驗，特別是在師資以及實驗設備上表現得尤為突出。這明顯違背了職業教育強調“做與學一體化”培養技能型人才的目標。與此同時，實驗設備因實驗頻率的提高必然導致損耗的加劇，增加了教學成本，這也是各學校面臨的主要困難。為彌補PLC課程教學設備的不足，設計了一種基于西門子PLC-SIM與Factory IO的虛擬化仿真系統，該系統不僅可以直觀、動態地模擬PLC在工業場景下的運行狀態，還可通過該系統直觀地顯示PLC以及其他傳感器的動作狀態。虛擬化系統的引入有效地解決了原先僅使用PLC仿真而造成的教學枯燥無味、程序抽象難懂的問題，實現了PLC運行過程所見即所得的動態演示效果，進而達到較好的教學訓練效果。

一、虛擬化仿真系統的設計

虛擬化仿真系統主要由PLC程序編輯模塊、PLC實驗仿真模塊以及PLC場景應用模塊組成。系統結構如圖1所示。仿真系統通過在一臺PC機上同時安裝PLC300仿真調試軟件PLC-SIM、工業現場仿真設計軟件Factory IO和PLC編程軟件TIA Portal v14實現仿真功能。

PLC程序編輯模塊采用西門子公司官方推薦的PLC程序編寫軟件TIA Portal V14集成開發環境進行程序的編寫調試工作。在仿真環節中，學生先使用PLCSIM軟件對PLC進行仿真調試，待仿真成功后，將剛才編寫好的程序下載到實體PLC中，利用應用場景仿真模塊進行三維立體仿真演示。這種虛擬仿真與實體驗證相結合的設計模式緩解了因PLC數量不足而造成的教學資源緊張狀況，提高了PLC實體器件的使用效率。

二、實驗方案設計

本設計以傳送帶傳送木箱為例，按照難度高低劃分依次分為：PLC虛擬仿真平臺搭建、教學實踐環境介紹、基礎知識內容講授、系統運行原理分析、針對性拓展訓練以及故障檢測與排除六個環節。各環節具體分析如下。

1.PLC虛擬仿真平臺搭建

教師安裝虛擬化仿真平臺所需的軟件后，讓學生掌握仿真環境的搭建并且熟悉仿真系統的組織架構，從而為后續傳送木箱實驗打下良好的基礎。搭建過程中，每一位學生均需按照個人姓名拼音縮寫和學號命名創建個人仿真目錄，以便教師日后統計學生的完成情況，同時也避免了因工程文件無序放置而造成的系統異常情況，培養了學生的工程管理意識。

2.教學實踐環境介紹

教師引導學生調試并運行軟件自帶的基礎案例來熟悉虛擬仿真系統的使用。這一過程要求學生掌握項目的創建、場景布局以及程序編寫調試技巧。本設計要求學生根據給出的傳送帶傳送木箱場景圖繪制實驗所需場景并設置相應功能。由于此部分難度設置較低，在學生掌握項目創建方法后，教師還可根據Factory IO的驅動連接界面補充講解PLC的IO引腳功能，便于日后PLC功能指令的講解。

3.基礎知識講解

根據課程設計需要，教師重點講解本次實踐所需要的相關知識點。以本例中傳送帶搬運木箱實驗為例，首先根據學生前續課程的掌握情況對以前學過的知識進行復習，然后結合虛擬仿真平臺的運行環境講解課程所需的基礎知識。本例中需要向學生講解的知識點有常開常閉觸點的使用方法、“啟保停”電路的設計方法以及對應的PLC接線方法。在完成以上內容的講解后還可根據需要進行拓展，增加定時器等其他基礎指令的學習。此部分的教學需要結合虛擬平臺對指令內容進行分塊講解，讓學生能夠對每個知識點進行充分的理解掌握。

4.系統運行原理分析

以圖2木箱搬運的虛擬仿真實驗為例，教師首先對系統按照實際正常的運行速度進行仿真，然后針對教學過程中存在的難點部分進行慢速演示，其目的是讓學生對整個實驗的運行過程有一個完整清晰的認識。與基礎知識講解不同的是，這部分的慢速演示強調教學演示的完整性，即在完整演示PLC運行過程的前提下，利用慢速運行的特點來重點解釋教學中的難點疑點，通過正常和慢速兩種運行模式的演示講解，使學生能夠全局性地把握整個實驗的運行過程。

5.針對性拓展訓練

在傳統的PLC教學中，受限于教學資源的限制，許多教學任務不得不依賴于教具廠商給出的實驗指導手冊來設計進行，所作修改極為有限。在虛擬化仿真系統的教學中，教師可根據自己的需要，通過重新組合平臺已有的各個器件對實驗所需的仿真場景進行拓展和設計。圖3為木箱搬運拓展訓練情景，在原有的兩個傳送帶基礎上，可以通過增加新的傳感器以及另外兩條傳送帶，實現木箱由一面向多面傳送的功能。這一部分通過增加訓練模塊，使學生可以在原有任務的基礎上思考如何依據現有條件實現功能的拓展，在強化原有知識掌握的基礎上，提升學生思考的廣度和深度。

6.故障檢測與排除

在虛擬化仿真系統中，故障錯誤的設置可通過改變虛擬仿真場景的某些參數進行模擬。如圖4中“Remover 1”所示，在虛擬仿真場景軟件Factory IO中當某器件被標記為“FORCED”狀態時，該器件不再接收或發送信號給其他外圍器件，此現象等同于實際場景中的器件異常失聯情況。利用此特性，學生可根據觀察到的現象對出現故障的設備進行故障排錯與檢修。

在本例中，可將部分傳感器信號設定為“FORCED”狀態，引導學生通過觀察木箱運動狀況啟發學生排除相應故障。相比于利用實體器件進行現實場景故障排錯的教學模式，該方法可有效避免操作錯誤引起的設備損壞以及操作失誤造成的意外傷害。同理，基于此種特性該方法還可以模擬更多實際操作中無法模擬的危險狀況下的故障。

三、實驗效果分析

在PLC教學過程中引入該虛擬化系統，從教學的角度而言，教師可以根據課程需要，更加靈活地安排課程內容，避免了原來受限于實驗場地而造成的課程應用場景單一化的缺陷，同時還可借助虛擬仿真系統的慢放以及場景調試功能。虛擬化平臺可以更好地展現工業環境下PLC的運行情況并模擬異常情況下的系統運行狀態，豐富了教學設計案例的多樣性。

從學生的參與度而言，該平臺極大地提高了學生的積極性。在過去的分組教學中，由于教學資源的限制，學生很難在指定時間內細致地觀察實驗過程，同時，枯燥乏味的實驗也很難激發學生的興趣。通過使用虛擬化系統，學生可以根據自己的需要隨時改變實驗場景，仿真不同的PLC的型號，對于課上沒有完成的任務還可以利用課余時間進行觀察仿真。

四、小結

本次實驗設計從PLC教學的實際情況出發，以木箱搬運作為教學案例，結合實際教學過程中出現的問題，采用虛擬化仿真系統的PLC實驗教學方案，在解決日益增長的學生數量與教學資源短缺之間矛盾的同時，也使PLC教學應用場景得到了極大的拓展。

實踐證明，該設計充分體現了虛擬化系統的先進性，這種教學方式能夠以一種高效的方式滿足教學需求，學生參與度高，教學效果明顯。當然，該設計仍然可做進一步優化，如引入更多的虛擬化現場仿真軟件以滿足除西門子之外其他PLC廠家的教學需要。這些筆者將在后續的教學過程中逐步探索與實踐。

參考文獻：

[1]曾少寧.基于GitHub平臺的協同式實驗教學方法[J].計算機教育，2016（12）.

[2]周天沛.虛擬PLC仿真實驗平臺的設計[J].工業儀表與自動化裝置，2016（2）.

（作者單位：蘇州健雄職業技術學院）