基于博途軟件的PLC虛擬仿真實驗項目的設計與實現

劉文秀，彭昕昀，韓竺秦，王杏進

（韶關學院智能工程學院，韶關 512005）

0 引言

進入新時代，我國為滿足人民美好生活需求，急需推動傳統產業優化升級，因此，許多加工制造業面臨升級改造。可編程控制器（PLC）控制技術在鋼鐵、石化、電子信息、汽車生產等智能制造領域發揮著巨大的作用，且隨著控制技術的發展，PLC 控制技術慢慢覆蓋了更多領域。為向社會培養高質量的技能人才，增強我國的產業競爭力，高等院校開設PLC 教學課程顯得更加重要。

在PLC 教學過程中，實踐操作是非常重要的環節，通過實踐操作可以有效地加深學生對知識點的理解，激發學生的學習積極性。但在傳統的PLC 實踐教學過程中，學生只是針對學校現有PLC 實驗箱、實訓臺等設備進行硬件接線，完成程序的編寫及調試，在此過程中學生對PLC 性能及應用理解得不夠透徹。同時，借助硬件條件進行教學，教師的教學靈活性不足。實際的物理模型體積大、價格昂貴，在辦學經費有限的情況下，搭建實際的物理模型非常不現實。

另外，當前的大學生大部分是零零后，他們是在信息化環境下成長起來的一代。在成長的過程中，這些學生已經具備了充分利用互聯網資源獲取知識的能力。傳統的實驗教學模式采用定時、定內容、定條件的方式，不再適用于當代大學生。為提高實驗教學質量，必然要轉變實驗教學模式，以滿足新時代大學生自主學習的需求。

虛擬仿真實驗教學是國家信息化教育戰略的重要實踐內容。為解決實驗經費不足等問題，在PLC 實驗教學過程中，采用虛擬仿真技術，以服務教學為目的，遵循“虛實結合，能實不虛”的要求，將知識點由抽象轉為具體、變枯燥為生動，讓學生帶著興趣學習，通過虛擬仿真來緩解硬件實驗設備臺套數不足的問題。學生也可以隨時隨地開展學習和實驗，學習效果直觀，有利于提高學生學習的自主性。對教師來說，豐富了教學形式，在理論教學的同時，在平臺上做模擬仿真，通過對直觀的結果展開分析，活躍了教學氣氛，拓寬了教學內容。

1 博途軟件介紹

傳統的PLC 控制系統設計過程中，編輯PLC 程序、編輯HMI 控制界面，配置現場設備（例如變頻器）還需要一款軟件，而各部分需要緊密聯系才能構成一個控制系統。如果能使用一款軟件完成上述所有的工作，將更有益于整個系統的構建工作。西門子公司的TIA 博途軟件就能夠實現上述的所有功能。

2010 年，西門子公司發布了TIA 博途軟件（V10 版本），成為業內首個全集成自動化概念下的自動化軟件，其采用統一工程組態和軟件項目環境，適用于所有的自動化任務，用戶能夠快速、直觀地開發和調試自動化系統。博途軟件采用新型、統一的軟件框架，可在同一開發環境中組態西門子可編程控制器、人機界面和驅動裝置，各種數據的共享也大大降低了連接和組態成本。

2 PLC實驗課程虛擬仿真教學過程

PLC 課程組教師充分利用韶關學院軟硬件條件，搭建虛擬仿真平臺，實現PLC 實驗課程虛擬仿真教學項目的建設。通過虛擬仿真實驗項目建設實現了在空間和時間上的廣泛共享。在教學的過程中，教師根據具體情況，將知識點采用通俗易懂、深入淺出的方式教授給學生，使學生易于接受教學中的重點和難點。在教學過程中利用西門子博途軟件，結合實際工程案例，生動形象地把課程知識點與工程應用緊密結合起來，激發了學生的學習積極性，提高了學生的工程實踐能力。教學流程如圖1所示。

圖1 實驗教學流程

利用博途軟件構建PLC 虛擬仿真實驗系統，如圖2所示。在此系統中，學生可以實現PLC控制系統的I/O 分配、仿真動畫變量的設置、梯形圖的編寫及虛擬仿真調試、HMI 組態界面的設置及組態動畫程序的編寫及仿真調試等。學生依據控制系統的控制功能要求，不斷地修改及完善控制系統程序和運行調試程序，直到滿足控制要求。在此過程中學生的實踐動手能力得到了很好的鍛煉，分析問題和解決問題的能力也得到了提高。

圖2 虛擬仿真實驗系統

3 虛擬仿真案例建設

根據課程標準中對課程知識點的要求，課程組教師采用項目教學的方法，針對教學中的重點難點，設計合理的工程案例實施虛擬仿真設計。下面以自動往返小車的運動控制為例，說明實施仿真教學的過程。

3.1 基礎理論講解

依據實際的工程案例，根據具體的控制工藝要求，首先要學生明確系統的控制過程中哪些是PLC 的輸入信號，哪些是PLC 的輸出信號，并合理地分配PLC 的輸入輸出點。PLC 常見的輸入輸出端子信號如圖3所示。

圖3 常見的PLC輸入輸出端子信號

自動往返小車的控制仿真案例如圖4 所示。控制要求：按下正轉啟動按鈕小車右行，按下反轉啟動按鈕小車左行，要求小車在左、右限位開關之間不停地循環往返，直到按下停車按鈕小車停止運行。

圖4 自動往返小車的控制示意圖

3.2 系統I/O分配及變量的設置

依據自動往返小車的控制要求，分配6個輸入點，2個輸出點。在博途軟件下編輯PLC 變量表如圖5所示。為后續電機動畫定義一個整形變量“電機動畫”。

圖5 PLC變量表

3.3 梯形圖程序的編寫及仿真調試

由于用到HMI 界面仿真調試，在HMI 界面設置正轉啟動按鈕和反轉啟動按鈕，因此編寫梯形圖時系統的兩個啟動按鈕直接使用輔助繼電器M。梯形圖程序如圖6 所示。在博途軟件下，啟動PLC仿真實現程序的調試。

圖6 梯形圖程序

3.4 HMI動畫界面的設計及仿真調試

在HMI 動畫界面依次繪制按鈕、指示燈、限位開關、正轉指示燈、反轉指示燈、小車等，如圖7所示。其中按鈕、指示燈、限位開關等與PLC 的變量相關聯。正轉啟動按鈕關聯變量如圖8所示。指示燈參數設置界面如圖9所示。

圖7 HMI界面的繪制

圖8 正轉啟動按鈕關聯變量

圖9 指示燈參數設置界面

小車在HMI 界面的運行動畫設計如圖10 所示。在梯形圖中采用FC 模塊編寫正轉動畫和反轉動畫梯形圖，并在主程序中調用這兩個模塊，實現仿真過程中小車的動態運行過程。正轉動畫FC模塊如圖11所示。系統最終運行界面如圖12所示。

圖10 小車運行動畫設計

圖11 正轉動畫FC模塊

圖12 系統最終運行界面

4 虛擬仿真技術應用實踐效果

在PLC 的教學過程中，采用虛擬仿真技術，教學效果顯著提高。通過虛擬仿真技術的推廣，解決了PLC 教學中時間空間的限制，通過形象生動的動畫顯示展示控制效果，有效地提高了學生的學習積極性。在課堂的教學過程中能夠切實感受到學生對實驗課的滿意度。學生對本課程的學習興趣顯著提高，能夠更加積極主動地投入到學習中。