基于TIA Potal軟件的PLCSIM虛擬仿真在PLC線上教學中的設計與實踐

移康英

摘 要：PLC技術是一門機電類專業實踐性和應用性比較強的課程，而受當下新冠疫情的影響，學校該課程教學過程只能采用線上理論與線下實訓相結合的教學模式，但是，在教學過程中，發現線上理論與線下實訓教學相脫離，學生也無法很好的將線上理論知識遷移到線下實訓課程中。為解決這一問題，本文提出將TIA Portal V15軟件與S7-PLCSIM仿真軟件引入到PLC線上理論教學過程中，以生動直觀地方式展現PLC指令形式、功能及模擬操作，并且教師在授課過程中，合理采用積極教學法，引導學生自主學習。通過線上仿真平臺直觀展示與教師引導式學習，不僅降低了學生學習PLC理論知識的難度，激發了學生在線學習的興趣，并為疫情結束后線下實訓課程打好了堅實的理論基礎。

關鍵詞：線上教學 軟件學習 虛擬仿真 積極教學法

1 引言

2015年5月，國家部署全面推進實施制造強國，許多加工制造業加快向智能化方向發展。智能化，其核心控制技術之一就是PLC技術。PLC技術即可編程控制技術，其結合了計算機技術和控制技術的特點，利用控制系統遵循編程指令并執行相應的操作，其控制操作過程簡單，能有效地保證控制過程實施的安全性、可靠性以及維護的方便性[1]。因此，PLC技術覆蓋了鋼鐵、石化、汽車生產、電子信息等智能制造領域[2]。為了培養與企業實際崗位相對接高質量技能型人才，增強我國的產業競爭力，高等院校機電類、自動化類專業廣泛開設了《PLC技術》這門課程。通過對機電類、自動化類專業學生就業意向問卷調查，大多數學生希望通過學校專業課程的學習，提高自身實踐能力和項目開發能力，在畢業后能夠從事與自己專業相一致的行業，或是自主創業[2]。那么，疫情當下，線上PLC理論教學過程如何合理設計，使理論和實踐融會貫通，學生獲得實踐創新能力，需要教師進一步探索與實踐。

本文提出線上PLC理論教學過程中搭建虛擬仿真平臺，把學生作為線上課堂的主體，通過教師引導，與學生同步進行線上學習活動。

2 分析PLC線上理論教學存在的問題

目前甘肅機電職業技術學院（以下簡稱：學院），面對疫情，采取線上理論和線下實訓的教學模式。但是，從近三年線上教學效果看，成果并不理想。本人通過對PLC線上理論教學過程分析，主要存在以下幾個原因：

1.從PLC理論知識的特點來看，邏輯思維性較強，學生普遍反映學習PLC難。如果教師在講解基礎知識點的時候，單純的去講授理論知識，脫離實際案例，即使學生對基礎知識點能準確掌握，但還是不能很好地遷移至實訓實踐中。

2.從學生層面來看，高職院校學生知識架構比較薄弱，自學能力、自控能力也比較差，線上學習與教師空間分離的環境，PLC理論知識比較枯燥，容易讓他們對學習產生厭倦感。

3.從教師層面來看，有些教師對網絡平臺的易用性感知能力較弱[3]，喜歡沿用以往線下授課方式，PLC理論知識以講授的方式為主，涉及PLC控制案例，也只是通過觀看視頻來了解其過程，通過這種方式，教師自身吸引學生吸納知識的效果很差。

3 PLC線上理論教學內容直觀化——虛擬仿真平臺的搭建

為了降低PLC線上理論教學難度，讓學生直觀獲取知識，使用西門子TIA Portal編程軟件與S7-PLCSIM仿真軟件搭建虛擬仿真學習平臺，該學習平臺，操作界面使用引導性較強，易操作，穩定性高，可對西門子全集成自動化中所涉及的自動化和驅動產品進行組態、編程和調試[4]。再者，對于學生，他們是在信息化環境中成長起來的，他們當中大部分學生已經具備了電腦操作基本素養[5]，他們樂意使用仿真平臺，喜歡在教師引導操作的過程中，跟上同步操作演練，在課后也愿意練習，極大地高沉浸式地體驗感，讓他們對PLC理論知識的學習熱情提高。

4 PLC理論課程虛擬仿真教學過程設計

1、項目導入

現以24V指示燈起保停控制為例，研究PLC理論課程虛擬仿真教學過程。項目導入：有一24V指示燈HL，當按下起動按鈕SB1時，燈HL點亮；按下停止按鈕SB2時，燈HL熄滅，完成24V指示燈起保停PLC程序的編寫與調試。項目導入可通過觀看虛擬仿真平臺中PLC實物工作視頻，如圖1（a1、b1、c1）所示，分析24V指示燈按要求工作實際的狀態，明確輸入輸出元件工作的前后關系，即當按下按鈕開關SB1，燈HL亮；放開按鈕開關SB1，燈HL保持亮；按下按鈕開關SB2，燈HL滅。并寫出學習完此項目后學生所要達到的學習目標：a.描述PLC的掃描工作原理；b.描述PLC控制24V燈起保停控制原理；c.分清楚輸入元件，輸出元件，并能正確尋址。d.寫出編程指令：常開觸點、常閉觸點、輸出線圈指令格式；e.理清常開觸點、常閉觸點、輸出線圈間邏輯關系；f.在編程環境中，獨立完成輸入梯形圖程序，會上傳、下載程序，會在線監控。

在幫助學生輸理清楚學習目標后，引導學生觀看虛擬仿真平臺程序監控視頻，如圖1（a2、b2、c2）所示。并提出問題：a.詳細描述PLC虛擬仿真控制過程；b.描述PLC內部CPU執行程序過程；c.描述PLC工作掃描原理。用提出的問題求引導學生觀看視頻的方法，可提高學生觀看視頻的有效性，并且設置的問題層層向目標知識點PLC工作掃描原理靠近，大大降低了學生的理解難度。再者，PLC虛擬仿真控制過程相當于PLC內部CPU執行程序過程，該過程是由PLC內部軟元件控制，軟元件是是PLC內部具有一定功能的器件，是等效概念抽象模擬的器件，并非實際的物理器件，因此對PLC內部軟控制元件的控制過程的理解，對學生來說是比較抽象的。通過PLC實體工作過程與虛擬平臺仿真工作過程對比展示，將PLC內部CPU執行程序過程的知識直觀化，并且帶著問題看視頻更能夠吸引他們的注意力，提起他們的學習興趣。

接下來的任務通過虛擬仿真平臺操作演示，引導學生思考，在實現控制燈亮、保持、滅的三步驟過程中，基本指令的應用。

2、虛擬仿真平臺操作演示

啟動TIA Portal后，新建項目24V燈起保停控制，接著組態操作，添加PLC和HMI，其中PLC型號為CPU1212C DC/DC/DV，HMI型號可根據實際情況選擇，但要注意PC、PLC及HMI的IP地址要處在同一網段并進行HMI連接，以便PLC與HMI數據通信。如圖2所示，PLC與HMI組態圖。

接下來添加新變量表，命名24V指示燈啟保停控制，如圖3 24V指示燈啟保停控制變量表所示，在該變量表中確定PLC的輸入、輸出元件，并為各個輸入、輸出元件分配存儲單元，即變量尋址過程，該步驟能幫助學生分清輸入元件和輸出元件，并核對元件數量。

下一步，編寫plc程序，在編寫控制24V燈啟保停程序之前，設置2個任務點，任務1點動控制24V燈，即按下點動按鈕SB3，紅燈HL1亮；釋放點動按鈕SB3，紅燈HL1滅。按下點動按鈕SB5，藍燈HL2滅；釋放點動按鈕SB4，藍燈HL2亮。提出問題：a.說出常開、常閉觸點以及輸出線圈指令的功能；b.總結出常開、常閉觸點和存儲器的位狀態關系。c.總結出點動控制原理。任務2長動控制24V燈，即按下長動按鈕SB5，黃燈HL3亮；釋放長動按鈕SB5，黃燈HL3保持亮。提出問題：a.如何使得黃燈HL3滅掉？b.任務1、2要求，總結出長動動控制原理根據。

任務1在虛擬仿真軟件操作演示圖，如圖4所示：

演示任務完成后，通過引導式提問的方式，與學生一起總結出常開、常閉觸點以及輸出線圈指令的功能及常開、常閉觸點和存儲器的位狀態關系，進而總結點動控制原理。

任務2在虛擬仿真軟件操作演示圖，如圖5所示：

從以上直觀演示中引導學生得出結論：長動按鈕按下或是釋放，黃燈一直保持亮，即在程序中給長動按鈕并聯一個地址為M10.6（黃燈HL3）的常開觸點，可實現在長動按鈕按下后又釋放的情況下黃燈保持亮的效果。

那接下來解決問題如何使得黃燈HL3滅掉？學生肯定的回答是用停止按鈕，那停止按鈕在程序中對應的觸點指令是常開還是常閉，與長動按鈕的邏輯關系，這些都可通過虛擬仿真平臺演示來得出結論。停止按鈕在程序中對應的觸點指令的選擇有兩種情況，即常開觸點或是常閉觸點，其與長動按鈕的邏輯關系可考慮兩種，即“與”關系或者是“或”關系。

最后，再次在虛擬平臺中調試、監控，總結出長動控制的原理，即24V燈啟保停控制原理。

5 結論

本文在教學的過程中，教師通過TIA Portal V15軟件與S7-PLCSIM仿真軟件搭建的實驗系統，合理采用積極教學法組織管理課堂，與學生一起在線上實現了24V指示燈啟保停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。在此過程中，將PLC基礎知識點，通過虛擬仿真平臺演示，層層遞進安排學習內容，讓學生在直觀演示中，通過教師引導，自主總結學習目標給出的知識點。在此過程中學生的能夠正真參與其中，感受自主式學習的樂趣，在空間上與教師實現更深層次的交流。

基金項目：2021年甘肅機電職業技術學院線上教學研究項目“TIA Portal編程軟件與S7-PLCSIM仿真軟件結合在PLC線上教學中的應用研究”（基金編號：GSJDZXJG22-01）。

參考文獻：

[1]吳金棟，任光輝，黃東鍵，等.基于虛擬仿真技術開展實踐教學改革的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2018，37（5）：240-244.

[2]劉文秀，彭昕昀，韓竺秦，等.基于博途軟件的PLC虛擬仿真實驗項目的設計與實現[J].現代計算機，2022，28（07）：

[3]周美蘭，張宇，吳曉剛，等.基于西門子PLC虛擬仿真實驗系統的設計[J].高師理科學刊，2022（05）

[4]劉莉莉．疫情背景下大學生使用虛擬仿真實驗平臺的行為意愿研究[J]．赤峰學院學報（自然科學版）.2022，38（06）：

[5]孫君，朱健，戴禮興．基于虛擬仿真實驗教學項目的工程實踐[J]．教育教學論壇，2020（14）：219-220.