PLC虛擬仿真實訓教學平臺建設探索

李繼芳, 許英杰, 鮑　平, 胡天林, 林　春

(廈門大學 航空航天學院, 福建 廈門　361005)

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PLC虛擬仿真實訓教學平臺建設探索

李繼芳, 許英杰, 鮑平, 胡天林, 林春

(廈門大學 航空航天學院, 福建 廈門361005)

基于VRML開發了PLC虛擬仿真實訓平臺。該平臺采用B/S架構,客戶端使用ActiveX完成3D虛擬現實場景的渲染,核心功能模塊包括與仿真軟件交互模塊、原理圖計算模塊和原理動畫模塊,可供學生進行理論學習、原理圖繪制及實物接線、程序編制、完成并提交實訓報告。學生可不受時間和空間的限制地完成虛擬互動實訓,完成PLC軟硬件協同設計,實現完整的系統搭建以及逼真場景的仿真調試。

虛擬仿真平臺； 實訓教學； 協同設計；VRML；PLC

可編程控制器(PLC)因可靠性高、應用面廣、功能強大、使用方便,在工業控制各個領域得到了廣泛的應用,已經成為當代工業自動化三大支柱(PLC技術、機器人、CAD/CAM)之一[1]。PLC課程是一門集電氣技術、計算機技術、控制技術等為一體的機電類專業課程,具有很強的實踐性[2]。

傳統的PLC實訓教學是在實驗室利用PLC及各種被控對象,完成程序編制和程序調試。被控對象可分全實物與仿真實物兩種[3]。全實物被控對象通常是固定的,在使用過程中不易實現機械拆卸、電氣接線過程[4],也很難在實驗室配備較全面的工業控制對象[5-6]；仿真實物被控對象通過接口板與控制器相連,也存在成本高、機型單一、升級困難和軟件開發難度大等缺點。無論使用哪一種被控對象構成實驗教學系統,實驗教學都僅僅根據實驗的控制要求編程,缺少設備選型、電氣設計等內容,沒有軟硬件協同設計的環節,使學生無法全面掌握一個控制系統的設計全過程。

虛擬仿真實驗實訓教學可以很好地解決PLC實訓教學不足的問題[7-9]。虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術,構建高度仿真的實驗環境和實驗對象,實驗效果可以達到教學大綱的要求[10]。

1　PLC虛擬仿真實訓平臺搭建

1.1虛擬仿真平臺的功能

在PLC實訓教學中,搭建了一個可遠程訪問的虛擬仿真實訓平臺,平臺上可集成:

(1) 多個廠家、多種型號的仿真控制器；

(2) 控制系統需要的各種虛擬控制器件,如按鈕、傳感器、接觸器以及執行器等；

(3) 各種典型的虛擬仿真被控對象,如傳送帶、交通燈、灌裝流水線及物料生產線等。

平臺還可關聯廠家的程序開發軟件,建設有PLC課程的各種教學資源,包括PPT、器件原理與展示動畫以及視頻資源等。學生在此平臺上完成控制任務軟硬件協同設計、硬件原理圖繪制、器件選型、實物接線、程序開發以及虛擬仿真場景聯合調試等實驗內容。

1.2基于VRML技術的平臺架構

虛擬現實建模語言(virtualrealitymodelinglanguage,VRML)是桌面虛擬現實系統中最經典、最著名的虛擬現實技術[11]是目前Internet上基于WWW的制作三維互動網站的主流語言。VRML已經廣泛應用于生活、生產、科研教學、商務甚至軍事等領域。基于VRML技術構建的虛擬仿真實驗平臺,利用虛擬三維模型來實現,能夠提供交互操作,滿足真實感要求較高的實驗教學[12]。此外,VRML文件小、便于移植,在實驗過程中能夠產生三維信息,可利用網絡進行共享和傳播,使虛擬仿真實驗平臺實現網絡化。

平臺采用B/S模式,基于校園網/因特網實現。客戶端(教師終端、學生終端)軟件使用ActiveX完成3D虛擬現實場景的渲染顯示與實驗互動操作,3D圖形底層渲染支持OpenGL、DirectX以及軟件渲染,并采用ActiveX多線程socket實現動態3D數據傳送,同時通過與PHP動態網頁相結合的方式創建整個客戶端的瀏覽與操作界面。服務器端除提供在線3D虛擬實驗實訓所需的功能服務外,還提供DBserver、Webserver、Mailserver三種服務。

DBserver采用基于MySQL的數據庫管理系統,提供對所有3D模型數據和用戶數據的存貯與管理,對教師與學生分別分配其個人存貯空間,以便支持多用戶同時在線學習。用戶有自己的資源庫管理空間,也有共享的資源庫管理空間,可以隨時將自己的資源共享出去。資源按照類型、用途的方式來進行管理。

Webserver采用Apache架設動態網頁服務器,以PHP完成服務器端腳本編寫,利用Apache和PHP對MySQL的良好支持,實現網頁對DBserver的資料讀取與修改。

1.3平臺分層描述

1.3.1第0層設計描述

用戶通過客戶端登錄廈門大學虛擬仿真平臺并進入不同的模塊,通過瀏覽器向服務器發送請求,服務器端接受、解析請求并且查詢數據庫,將數據轉換成Html代碼發送給客戶端的瀏覽器。客戶端瀏覽器解析數據,根據不同的屬性進入不同的加載流程,下載不同的資源以進行學習。程序的結構圖如圖1所示。

圖1　程序結構圖

1.3.2第1層設計描述

根據PLC實訓教學需求描述,可實現自繪原理圖、實物接線、整體被控虛擬仿真對象及生產場景調試、器件原理與展示、實訓報告提交等虛擬互動教學。

系統的核心功能模塊主要包括與仿真軟件交互模塊S7-ProSim、原理圖計算模塊Compute及原理動畫模塊Animation。

(1)S7-ProSim模塊。在PLC虛擬仿真實訓教學平臺一期建設中,只集成了西門子S7系列的控制器。S7-ProSim模塊是與Siemens仿真軟件S7-PLCSIM交互的核心模塊。S7-ProSim模塊是一個ActiveX控制器,提供了與S7-PLCSIM相互作用所必需的方法和屬性,提供程序來訪問S7-PLCSIM的仿真接口程序。通過S7-ProSim模塊可以連接一個S7-PLCSIM的仿真程序,它可以被使用在接受ActiveX控制器的任意應用程序中。例如在平臺中嵌入S7-ProSim模塊,模擬由Siemens300PLC控制器控制的對象系統時,在3D虛擬場景中,通過S7-ProSim模塊主動連接已經開啟的S7-PLCSIM,控制其運行狀態,將S7-PLCSIM中計算的數據通過3D場景中的動畫實時顯現出來,達到在真實場景運行的效果,真正體現出模擬顯示交互仿真的價值。

(2)Compute模塊。實現了從自由設計電路→元器件選型→布局圖的繪制→安裝接線→調試運行與維修的功能,該模塊的算法基于由美國Berkeley大學開發的Spice模擬算法,實現了電路仿真,解決了計算速度慢和內存泄露的問題,還添加了從復合電路模型到簡單電路模型轉換的過程。

(3)Animation模塊。基于網絡Web3D虛擬現實智能動畫技術,能實現智能互動拆裝、結構的展示、原理的介紹,能夠智能判斷用戶在3D場景中的任何操作,并做出實時智能反應。

2　PLC虛擬仿真平臺實訓案例實現

2.1PLC實訓流程

基于此PLC虛擬仿真實訓教學平臺,可實現一個完整的理論學習→硬件設計→軟件設計→協同調試的PLC控制任務或項目的實訓流程。

學生在此平臺上,可基于任務或項目展開實訓。基于西門子S7-300系列PLC,實現項目或任務相關的理論學習、硬件設計、實物接線、軟件開發、被控對象聯合調試及系統運行的學習流程,這也是一個完整工程項目的開發流程。

2.2理論學習

打開系統后,以學生角色登錄平臺。在登錄平臺中選擇“電氣基本技能及PLC應用”課程。以傳送帶實驗項目為例,進入“傳送帶運行控制任務”。傳送帶作為工業領域大量使用的輸送設備,要求實現操作靈活且運行穩定的控制。首先進入理論學習部分。在理論學習部分,學生可以通過PPT資源進行自主學習與探究學習,教師也可利用該資源進行授課。

在基本邏輯指令學習的基礎上,學生需完成傳送帶運行控制任務,要求通過PLC實現一臺傳送帶設備的正反轉持續運行、正反轉點動運行、停機的控制功能。學生可在實訓欄目中找到對應的任務,需先進行控制任務的分析,完成IO表的分配。

2.3原理圖繪制及實物接線

點擊實驗指導書,平臺給出了詳細的實驗目的和實驗要求,學生據此首先完成原理圖繪制。然后,學生根據需要在硬件接線平臺上完成主電路和控制回路的元器件選型、布局及接線(見圖2)。根據傳送帶控制任務,選擇西門子S7-300控制器、按鈕、接觸器、中間繼電器、電動機等器件,完成實物接線(見圖3)。

圖2　原理圖接線界面

圖3　實物接線界面

2.4程序編制

完成硬件設計后,學生可通過平臺打開編程器。平臺關聯的是西門子公司提供的行業標準設計軟件TIA博途,學生可以基于此平臺完成項目軟件設計。

項目軟件設計流程如下。

第一步,項目創建。點擊啟動“創建新項目”,填寫好項目名稱及路徑,即可完成創建。

第二步,硬件組態。在設備與網絡中“添加新設備”,選擇所需控制器314C-2PN/DP,并完成IO地址、通信參數等屬性內容配置。

第三步,程序設計。先添加PLC變量,并在主程序OB1中完成程序編寫。

第四步,程序下載。完成程序后,在博途端啟動PLCSIM仿真器,并完成程序下載。

2.5任務協同調試

程序下載后,可基于此平臺完成軟件協同調試。實物仿真調試界面如圖4所示。

圖4　實物仿真調試界面

首先,可在S7-PLCSIM仿真器上完成軟件基本調試,驗證軟件控制邏輯是否正確。

然后,返回至仿真平臺的硬件接線平臺,驗證硬件設計及接線是否正確。點擊“開始仿真”并將仿真器置為運行狀態,在實物接線平臺下方設計一排器件操作開關和按鈕。點擊“斷路器”上電,按下“正向啟動按鈕”,可以觀察到正轉運行回路接通,按下“停止按鈕”,電機停止運行。硬件接線平臺可用于觀察電流通路,判別硬件回路接線是否正確。

平臺還提供有實物仿真功能。進入實物仿真界面,可以觀察到一套虛擬仿真的逼真的傳送帶設備,設備前端具有操作按鈕,可以直觀地觀測到傳送帶運行的過程和與真實設備相一致的控制效果。

仿真平臺的另一個優點就是能夠有效避免學生編程錯誤所導致的設備損壞,這在協同調試時非常有利。例如在實際設備調試運行時,如果程序中沒有設計互鎖環節,當按下“正向啟動按鈕”后,再次觸發“反向啟動按鈕”,程序會使“正反轉接觸器”同時接通,產生嚴重的短路故障。在虛擬仿真平臺操作中,同樣條件下,同時按下“正向啟動按鈕”與“反向啟動按鈕”,平臺會自動彈出提示對話框,告知錯誤操作。

2.6實訓報告與教務功能

學生完成實訓任務后,可以第一時間打開實訓報告,完成實訓報告中所羅列要求,并提交教師評閱。

此外,平臺還提供有豐富的教務功能,例如在“我的空間”欄目中可以查詢課程作業及成績,完成教師在線答疑,實現課件下載,維護個人信息等功能。

3　結語

PLC虛擬仿真實驗教學平臺是不受時空限制的開放性虛擬實驗系統。應用該平臺,學生能夠完成軟硬件協同設計,經歷控制系統設計的全流程,并大大減輕實驗室對硬件設施與場地的依賴。

References)

[1] 廖常初.S7300/400PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2] 姜建芳.電氣控制與S7-300PLC工程應用技術[M].北京:機械工業出版社,2014.

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[4] 任思璟.基于組態控制的機械手實驗系統的設計[J].實驗技術與管理,2009,26(2):71-73.

[5] 楊奕.PLC虛擬實驗對象的設計與應用[J].微計算機信息,2005(24):39-40.

[6] 劉力.基于組態的PLC虛擬教學系統的研究[J].電氣自動化,2015,37(4):106-108.

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[8] 葉紅芳.淺談PLC虛擬實驗室的建設和研究[J].科技創新導報,2014(3):3-4.

[9] 董增文,胡瑢華,劉國平.機電控制器類課程虛擬實驗系統的研究與開發[J].實驗技術與管理,2011,28(8):53-56.

[10] 教育部高等教育司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].(2013-08-21)[2016-01-20].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html.

[11] 馬力,姚文月.基于VRML的虛擬實驗室的研究與設計[J].實驗技術與管理,2010,27(9):176-179.

[12] 汪航,劉良超.基于VRML的教學型虛擬實驗室設計探討[J].技術與教育,2008,22(2):9-11.

ResearchonconstructionofPLCvirtualsimulationtrainingteachingplatform

LiJifang,XuYingjie,BaoPing,HuTianlin,LinChun

(SchoolofAerospaceEngineering,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)

BasedonVRML,thevirtualsimulationplatformwithB/Sarchitecturecanachievethevirtualinteractivetraining,whichenablesstudentstoaccesstheplatformthroughconnectedPCwithoutthelimitationoftimeandspace.Aftercompletingco-designofthehardwareandsoftware,theintegritysystemconstruction,andrealisticscenesimulationanddebuggingcanbeconductedontheplatform.

virtualsimulationplatform;practicaltraining;coordinationdesign;VRML;PLC

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.028

2016-01-26

李繼芳(1969—),女,山東濰坊,博士,高級工程師,國家級機電類虛擬仿真實驗教學中心副主任,主要研究方向為虛擬仿真實驗技術和電氣控制技術.

E-mail：lijf@xmu.edu.cn

TP391.9；G642

A

1002-4956(2016)7-0118-04