基于西門子HMI 組態(tài)技術(shù)的PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革＊

張玉廣，高金宇，金寧寧，楊溢帆

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450046）

“PLC 技術(shù)”是高職機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，深化、加強(qiáng)對PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)的改革顯得尤為重要。

人機(jī)交互界面（Human Machine Interface，HMI），因其具有良好的信息交互顯示功能，可以顯示PLC 程序中的相關(guān)變量，使得PLC 的控制過程直觀化。故本文借助西門子HMI 組態(tài)技術(shù)以一個自動售貨機(jī)控制為載體，探索針對PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)的改革。

1 PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的不足

PLC 是一種以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)自動控制裝置，它綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)，具有顯著優(yōu)點(diǎn)，被稱為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱之一[1]。

“PLC 技術(shù)”是一門實(shí)踐性強(qiáng)的課程，如何借助教學(xué)現(xiàn)狀，一切從實(shí)際出發(fā)，使高職院校的學(xué)生樂于學(xué)習(xí)、可視化學(xué)習(xí)是該課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中有待解決的問題。為了讓高職學(xué)生更好地學(xué)習(xí)“PLC 技術(shù)”這門課程，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中要求教師設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要不斷豐富且實(shí)訓(xùn)設(shè)備要不斷更新。而現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備平臺因輸入輸出點(diǎn)位基本固定，可供給學(xué)生仿真、練習(xí)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容較為單一，所以利用學(xué)校具備的條件最大限度地開發(fā)、拓展PLC 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目就顯得必要[2-3]。

2 將西門子HMI 組態(tài)技術(shù)用于PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)

西門子的HMI畫面可以仿真PLC控制系統(tǒng)的輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。在進(jìn)行PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，教師和學(xué)生可以利用博途軟件中HMI 界面強(qiáng)大的編輯功能，實(shí)現(xiàn)文本信息的錄入、動畫設(shè)計(jì)、圖形界面繪制、可視化仿真效果驗(yàn)證、PLC 程序設(shè)計(jì)等功能。

利用西門子HMI組態(tài)畫面仿真模擬PLC的控制過程，能有效解決無硬件控制對象或增購新的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備困難的問題。借助HMI 組態(tài)技術(shù)，利用學(xué)校現(xiàn)有條件豐富實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，開拓學(xué)生的PLC 編程技巧，提高PLC 實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)效果，對學(xué)生后續(xù)使用觸摸屏也有一定幫助（設(shè)備硬件可以根據(jù)現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)條件選擇，如果沒有硬件條件，可以在博途軟件中僅組態(tài)PLC 程序、HMI 畫面，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)PLC 程序的可視化人機(jī)界面仿真）[4]。

2.1 自動售貨機(jī)控制要求

自動售貨機(jī)面板示意圖如圖1 所示。工作流程如下：①此售貨機(jī)可以投入1 元、5 元、10 元硬幣。②沒有投幣時，全部指示燈熄滅。當(dāng)投幣或者余額超過（或者等于）8 元時，飲料A 指示燈常亮黃色，表示可以購買飲料A；飲料A 指示燈亮?xí)r，如果按下飲料A 按鈕，則飲料A 排出6 s 后停止，這6 s 時間內(nèi)，飲料A 指示燈以0.5 Hz 頻率閃爍，模擬售賣飲料A 的過程。飲料B 類似。投幣不為0 時，找零指示燈以0.5 Hz的頻率閃爍粉色。③購買結(jié)束若余額不為0，則可以按下找零按鈕，找零指示燈由原來的0.5 Hz 閃爍變?yōu)橄纾囝~變0。

圖1 自動售貨機(jī)的仿真界面

2.2 自動售貨機(jī)控制實(shí)施步驟[5-7]

2.2.1 根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)分配I/O 表

需要說明，因此處是HMI 畫面仿真，程序中按鈕用M 替代了，且觸摸屏面板上的按鈕可優(yōu)先考慮M，因?yàn)镮 是和PLC 硬件設(shè)備輸入端相連的。如果有實(shí)際硬件結(jié)構(gòu)，按鈕需要分配為I，這時要使硬件按鈕和觸摸屏按鈕都可以控制PLC 程序，還需適當(dāng)修改程序。自動售貨機(jī)I/O 分配表如圖2 所示。

圖2 自動售貨機(jī)I/O 分配表

2.2.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

在博途軟件中添加一個1 214C DC/DC/DC 型號的CPU，訂貨號為6ES7 214-1AG40-0XB0，版本為V4.2，系統(tǒng)要求有0.5 Hz 的閃爍，在CPU 屬性中勾選時鐘存儲器，字節(jié)可以選擇為10，然后在主程序Main 中設(shè)計(jì)編寫程序，如圖3 所示。因不同學(xué)習(xí)者的編程習(xí)慣有所不同，所以實(shí)現(xiàn)控制效果的程序也不是唯一的。

圖3 自動售貨機(jī)PLC 程序

2.2.3 HMI 畫面的組態(tài)及畫面控件屬性的設(shè)置

在博途軟件中添加一個HMI 設(shè)備（此處是軟件仿真，具體型號不限制，如果有實(shí)物設(shè)備，型號要對應(yīng)一致），如圖4 所示。然后在HMI 設(shè)備向?qū)Ы缑娴挠蚁路竭x擇PLC處點(diǎn)擊瀏覽，選中剛才添加的CPU型號，如圖5 所示。

圖4 添加的HMI 設(shè)備型號

圖5 HMI 設(shè)備向?qū)е悬c(diǎn)擊瀏覽選中對應(yīng)型號的PLC

在HMI 的根畫面中，組態(tài)各控件，也就是讓PLC程序中的變量和組態(tài)畫面的各控件建立邏輯聯(lián)系。完成后的畫面效果參考圖1。圖6 為HMI 畫面中各控制組態(tài)設(shè)置完成后的變量連接關(guān)系。

圖6 PLC 程序中變量與HMI 畫面中控件建立的聯(lián)系

2.2.4 系統(tǒng)的調(diào)試、仿真

在博途軟件中先把PLC 程序編譯，再點(diǎn)擊仿真按鈕，在PLCSIM 中仿真程序；然后把HMI 整體編譯，同樣點(diǎn)擊仿真按鈕，即可以激活自動售貨機(jī)的仿真界面。這時可以通過點(diǎn)擊對應(yīng)按鈕，模擬投幣和飲料的購買、模擬找零過程，也可以多次點(diǎn)擊觀察程序的控制效果是否符合實(shí)際。如發(fā)現(xiàn)仿真效果需要修改，可以關(guān)閉PLC 仿真和HMI 仿真，在離線下修改PLC 程序、HMI 畫面，修改后再次編譯仿真即可。

如教學(xué)條件允許，此處調(diào)試、仿真還可以把PLC程序下載到實(shí)物PLC 中，把HMI 畫面下載到對應(yīng)型號的HMI 設(shè)備中，PLC 實(shí)物外圍還可以連接相應(yīng)的輸入、輸出設(shè)備。這樣的仿真可以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)一體，效果更好。此處的實(shí)現(xiàn)需結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況，不再贅述。

3 教改效果

3.1 解決PLC 實(shí)訓(xùn)課程仿真效果不直觀的問題

有些高職的PLC 實(shí)訓(xùn)課程開展借助于計(jì)算機(jī)、博途軟件，PLC 程序的仿真主要是借助于PLCSIM 仿真器，僅能看到I/O 等點(diǎn)位的基本變化。

借助于HMI 組態(tài)技術(shù)，可以在HMI 畫面中組態(tài)按鈕開關(guān)、指示燈、IO 域、圖形界面等豐富多樣的控件，通過硬件、編輯HMI 畫面、軟件程序設(shè)計(jì)等工作，可以開發(fā)、擴(kuò)展針對PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)的新項(xiàng)目[8]。

3.2 在節(jié)約資源的基礎(chǔ)上，滿足教學(xué)需求和任務(wù)

工業(yè)自動化企業(yè)的產(chǎn)線設(shè)備、工藝過程都在更新，學(xué)校也不可能一味地花錢購買設(shè)備，利用西門子HMI組態(tài)技術(shù)開發(fā)人機(jī)信息交互界面取代價格較高的平臺設(shè)備，可節(jié)約資源、減小成本，且設(shè)計(jì)、調(diào)試也更方便[9-10]。

3.3 提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果

利用博途軟件中的HMI組態(tài)技術(shù)，結(jié)合PLC程序，模擬某一自動化系統(tǒng)的工藝過程，使學(xué)生深刻領(lǐng)會控制現(xiàn)場的各種要求，提高了PLC 實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)效果，學(xué)生的創(chuàng)造力可以被點(diǎn)燃，為培養(yǎng)高質(zhì)量的技術(shù)技能人才提供了保證。

4 結(jié)束語

基于西門子HMI 組態(tài)技術(shù)的PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)，充分展示了HMI 組態(tài)的畫面與PLC 程序二者間的信息交互，既可緩解高職院校PLC實(shí)踐教學(xué)中設(shè)備購買不足方面的困難，又可以鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，也可以方便教師開發(fā)設(shè)計(jì)更多生動有趣的教學(xué)項(xiàng)目，為教師進(jìn)行相關(guān)科研提供了便利條件，是PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中的有益探索。