PLC虛實仿真實訓平臺的研究與應用

陳新 李子樂 張揚

[摘 要] 針對PLC控制系統在實驗和實訓課程中與工程實際場景脫節，調試和控制不方便等問題，設計了PLC虛實仿真實訓平臺。在對比目前PLC實驗、實訓平臺的基礎上，給出PLC虛實仿真實訓平臺的結構和組成、工作和設計原理，并通過電梯控制系統實例說明PLC虛實仿真實訓平臺的整個實訓流程。該實訓系統能緊密結合工程實際應用案例，3D場景生動真實，豐富了學生的工程實踐經驗。

[關鍵詞] 虛實仿真;實訓平臺;PLC;3D場景

[作者簡介] 陳 新（1977—），男（瑤族），湖南婁底人，工學博士，副教授，主要從事電氣控制研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）30-0391-02? ? [收稿日期] 2019-12-17

一、引言

在PLC教學/實驗過程中，實踐動手環節至關重要，針對不同工業應用場景，學生必須編寫不同的程序并反復調試，才能真正掌握可編程控制器的技術原理，所學的理論課程才能結合生產實際，滿足工業現場的需要，因此，PLC實驗和實訓教學環節在整個教學過程中具有非常重要的作用[1]。

針對各高校和職業院校PLC教學實訓平臺的欠缺，本文設計了PLC虛實仿真實訓平臺系統。PLC虛實仿真實訓平臺系統是一款結合實物PLC、實物控制對象和虛擬仿真控制對象為一體的PLC綜合實訓平臺;該實訓平臺是結合了虛擬技術、PLC硬件在環、PLC與電腦通信技術和計算機控制技術于一體的高科技實訓設備。

二、PLC實驗/實訓平臺現狀

目前PLC可編程控制器的教學和實驗教學平臺的實現方法主要包括如下幾種：

（1）可編程控制器實驗箱

實驗箱將實驗模塊集中在一塊板上，通過實驗箱上的LED、按鍵、電機等驗證PLC的相關指令和相關簡單實驗。

（2）PLC可編程控制器實訓設備

PLC可編程控制器實訓設備可以看成可編程控制器實驗箱的升級版本，實訓設備配套的配件和元件更多，更加接近實際應用，能實現更多的指令和相對復雜的實驗。

（3）PLC可編程控制器單獨實訓模型

通過模擬實際場景，如交通燈、立體車庫甚至是整條生產流水線，給學生更加形象化地展示現場實際情況。但是，單獨實訓模型造價高，使用率低，僅適用單獨實驗。

（4）PLC可編程控制器虛擬仿真實驗

PLC與組態軟件[2-5]、NI虛擬儀器的PLC仿真驗證系統，另外還包括虛擬調試與概念設計并行的NX MCD[6，7]系統、工業現場仿真設計軟件Factory IO和PLC編程軟件TIA Portal[8，9]實現虛擬仿真功能。

傳統的PLC實驗和實訓一直存在以下幾個問題：（1）硬件、軟件支持及更新不夠，造成教材內容和學校PLC實訓設備脫節，而PLC實訓設備的更新和升級需要大量資金。（2）PLC實訓設備與工業自動化PLC控制實際需求與場景等相差太遠。（3）PLC是一門綜合性課程，其控制包括機、電、液、氣等的綜合控制，一般高校現有的條件和實驗設備難以滿足實驗課程及實際操作的實際場景和現場調試需求。（4）采用組態、NX MCD、FACTORY I/O和TIA Portal等虛擬仿真軟件則不僅需要較長時間熟悉軟件，一個實驗和實訓項目還需要大量課時。

三、平臺組成及工作原理

PLC虛實仿真實訓平臺系統是一款結合實物PLC、實物控制對象和虛擬仿真控制對象為一體的PLC綜合實訓平臺。如圖1所示，S7-200 SMART的CPU中帶有兩個通訊口，一個是以太網口，一個是RS485接口。以太網可以用來下載程序，可同上位機通訊，也可與西門子其他系列PLC進行相互通訊。RS485口為自由通訊口，支持PPI、Modbus協議。PPI（point to point interface）是一種點對點接口通訊協議，PPI通訊協議進行通信時，PLC可以不用編程，而且可讀寫所有數據區。電腦端通過USB-PPI通信電纜與S7-200 SMART進行數據交換，例如通過PPI通信協議來讀取PLC所有儲存器及I/O接口的相關狀態，電腦讀取到PLC儲存器及I/O接口的相關狀態后進行判斷并在3D場景中進行相關的動作。PLC教學實訓平臺的實現方法類似于組態等軟件的實現方法，但是電腦端3D場景采用了Unity 3D軟件，實訓平臺的3D場景更加貼近實際應用，用戶體驗和交換更加舒服和方便。

四、實驗流程

以最常見的交通燈控制虛實仿真項目為例說明實驗過程，（1）將S7-200 SMART控制器接好電源、網線、PPI電纜，如果有需求的話可以連接外部LED等、按鍵和指示燈等實物。打開仿真軟件顯示相關的實驗項目，如圖2所示。

（2）打開編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART，根據硬件進行編程并將編譯好的PLC程序通過網線下載到控制器中。

（3）確定PPI線纜與S7-200 SMART控制器通信正常，點擊編程軟件中的運行按鍵，如果程序正確通過3D場景看到對應的交通燈狀態，同時也能通過S7-200 SMART上的指示燈看到I/O狀態，如果該I/O口連接有相關輸出硬件也可以看到相關的動作。

通過PLC虛實仿真實訓平臺顯示與利用西門子觸摸屏實現的交通燈組態顯示比較，PLC虛實仿真平臺顯示的場景更加真實、生動。

五、結語

虛擬3D動態場景和人機交互模擬真實場景，具有直觀和生動的特點。利用虛擬3D技術展示實物場景，讓枯燥的工業場景和控制實物展示在學生面前。

參考文獻

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Research and Application of PLC Virtual Reality Simulation Training Platform

CHEN Xin，LI Zi-le，ZHANG Yang

（School of Energy and Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University of Humanities，Science and Technology，Loudi，Hunan 417009，China）

Abstract：Aiming at the problems that the PLC control system is disconnected from the actual engineering scene in the experiment and training courses，and the debugging and control are inconvenient，a PLC virtual reality training platform is designed.In contrast to the current PLC experiment and training platform，the structure and composition，work and design principles of the PLC virtual reality training platform were given，and an example of the elevator control system is used to illustrate the entire training process of the PLC virtual reality training platform.The training system can be closely combined with practical engineering application cases.The 3D scenes are vivid and real，and can enrich students' engineering practice experience.

Key words：virtual reality simulation;training platform;PLC;3D scene