虛擬仿真被控對象在PLC實踐教學中的應用研究

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)

虛擬仿真被控對象在PLC實踐教學中的應用研究

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)

虛擬仿真被控對象基于Web3D、數學建模及通信接口技術實現，可分為全虛擬仿真被控對象和半實物仿真被控對象兩類。前者通過S7-ProSim接口與仿真PLC相連，構建控制系統；后者基于硬件通信板卡連接至真實控制系統。兩類對象的應用可有效解決PLC實踐教學中設備昂貴、場地有限、設備維護成本高等問題，完善控制系統設計環節，促進教學標準化、工程化，同時滿足實驗室開放及學生創新的需求。

被控對象； 控制系統設計； 可編程邏輯控制器(PLC)； S7-ProSim

1 PLC實踐教學存在問題

目前PLC實踐教學存在以下問題。

(1) 采用單一的指令式、編程化教學模式，當課程缺少實物PLC及被控對象時，教學容易陷入指令講解和枯燥的編程中，無法深入展示指令應用、驗證編程結果，更缺少硬件設計環節[1]。

(2) 實踐教學用的高端控制器及被控對象價格昂貴，生產線占地面積大，導致學校實踐資源種類單一、設備臺套數不足[2]，一些高危、高耗、體積龐大的對象更是無法在實驗室中實現。

(3) 對于復雜自動控制系統，例如柔性生產線、化工反應釜等，因結構復雜，學生在程序調試過程中出現的錯誤易導致實驗設備損壞，且故障設備的維護時間長、費用高。

(4) PLC的應用實為工業自動控制系統設計，其流程涵蓋工藝分析、機械設計、器件選型、電氣圖紙設計及接線、控制程序設計、監控程序設計、系統調試等過程，但目前PLC的實踐教學無法建立自動控制系統完整設計流程[3]。

2 解決PLC實踐教學問題的途徑

虛擬仿真技術是信息化、大數據時代背景下的產物，開辟了一種嶄新的實踐教學方式。通過虛擬仿真技術，將真實被控對象軟件化，研究被控對象與控制系統連接方式，使學生能夠搭建完整的自動控制系統，實現工程項目的全過程設計。將虛擬仿真被控對象應用于教學，可以豐富實踐資源，完善控制系統設計環節，實現標準化、工程化教學[4]，滿足學生創新以及開放實驗的需求。

教育部在2013年批準建設了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心，要求基于虛擬仿真技術，建設一批實驗室無法實現、高危、高耗的實驗、實踐資源，擴大資源共享，提高學生的創新精神和實踐能力[5-6]。通過提供種類和內容豐富的虛擬仿真被控對象，建立標準化、工程化的自動控制系統設計平臺，可為學生提供開放式、創新性的實踐教學環境。

3 虛擬仿真被控對象實現方法

3.1 虛擬仿真被控對象的分類

虛擬仿真被控對象基于計算機技術、建模算法、3D引擎實現，根據對象與控制器信號接口的不同，可分為全虛擬仿真被控對象和半實物虛擬仿真被控對象(見圖1)，二者構建控制系統的方式有所不同。

3.2 虛擬仿真被控對象實現方式

虛擬仿真被控對象要求能夠逼真地再現真實對象的外觀、結構及場景，用戶能夠進行觀察，甚至對設備進行拆裝；要求具有原始對象的功能及原理模型，對用戶的控制信號能夠快速反應并展示響應效果；能夠與控制器實現連接。

圖1 虛擬仿真被控對象分類

為此，基于Web3D技術開發了具有三維動畫效果的虛擬仿真被控對象(見圖2)。在虛擬仿真平臺下，使用Web3D Editor編輯工具，針對對象各元素的外觀、結構進行設計并完成圖形建模，針對對象各元素間工藝邏輯關系進行關聯[7]，例如傳送帶移動將導致物料移動、氣缸動作、物料消失等。采用ATL技術開發虛擬仿真對象中各元素COM組件的接口，并將其與第三方控制器輸入、輸出信號接口關聯。

圖2 虛擬仿真被控對象實現原理示意圖

3.3 全虛擬仿真被控對象與PLC的交互

全虛擬仿真被控對象是指輸入、輸出信號接口虛擬化的一類被控對象，要求第三方控制器具有仿真功能，并開放信號接口，實現與被控對象的交互。西門子公司的S7-PLCSim仿真控制器能實現S7-300/400基礎程序的運行仿真。S7-PLCSim提供有S7ProSim COM組件，能夠實現對S7-PLCSim啟停操作以及I/O信號訪問功能，可實現與虛擬仿真被控對象的信息交互[8]。

如圖3所示，仿真對象通過Web3D View組件實現智能互動、拆裝及結構展示。對某些具有工藝特性的對象獨立提供Compute組件實現數學建模、仿真對象的動態響應。在對象與控制器的接口間，開辟了一個標準化通信接口Adapter組件，實現第三方仿真控制器標準操作，且易于實現控制器變更。西門子S7-PLCSim的S7ProSim中提供有相關標準訪問函數，以實現與被控對象的數據交互。

3.4 半實物虛擬仿真被控對象與PLC的交互

半實物虛擬仿真被控對象通過信號通信板卡，將被控對象的輸入、輸出信號以標準電控信號形式提供給PLC I/O接口實現硬件連接[9]，學生在此環境下可以搭建真實控制系統。

信號通信板卡結構如圖4所示。通信板卡以單片機為處理器；FPGA實現外圍硬件譯碼功能，定時刷新DI、DO、AI、AO信號；FIFO是FPGA向單片機主動傳送數據的通道[10]。板卡中DI/DO采用并行操作方式，AI/AO采用多路通道片選、單路AD/DA采集及轉換的方式；單片機主動操作FPGA間完成數據輸出刷新，通過硬件中斷獲取FIFO通道傳入數據，避免反復查詢；USB通信基于PDIUSBD12協議芯片實現，設計單片機中USB協議，實現枚舉及數據收發功能。針對板卡設計驅動及動態鏈接庫，PC端作為主設備訪問板卡從設備，虛擬仿真被控對象底層Adapter組件調用動態鏈接庫，實現數據訪問。

圖3 全虛擬仿真被控對象與S7-PLCSim連接

圖4 半實物虛擬仿真被控對象實現原理

4 虛擬仿真被控對象的教學應用

4.1 全虛擬仿真被控對象的教學應用

全虛擬仿真被控對象可與西門子S7-PLCSim連接，通過西門子官方PLC項目開發軟件“博途”實現程序設計。S7-PLCSim支持多種編程語言(LAD、FBD、STL、Graph、SCL)，支持控制器中絕大多數OB、FB、FC、DB的應用，與真實控制器效果一致。如圖5所示,在虛擬仿真被控對象中集成了原理圖設計功能，學生可以進行硬件原理圖接線；在“博途”平臺下，也可以將WinCC集成在項目中，通過PLCSim(TCP/IP)通信與仿真PLC連接，使人機界面在RunTime環境下仿真運行，通過人機界面對系統進行監視和操作[11]。

將全虛擬仿真被控對象整合于B/S架構的平臺上，將TIA博途中S7-PLCSim和WinCC Professional中WinCC RunTime運行于云端，建立被控對象與S7-PLCSim的數據聯系，便可以在有網絡環境的電腦上便捷地設計完整的控制系統，且設計平臺與工程領域應用保持高度一致。安全的應用環境也使平臺能夠對學生完全開放，減少軟件安裝過程。但是，全虛擬仿真被控對象的應用也存在對網絡依賴性強、模型數據量大、處理速度慢的問題。

4.2 半實物虛擬仿真被控對象教學應用

采用半實物虛擬仿真被控對象是要實現虛擬被控對象與真實控制系統的連接，滿足學生對控制系統側的真實、完整的設計。設計內容包括：

(1) 提出控制系統解決方案，器件選型；

(2) 采用標準AtuoCAD Electrical、EPLAN軟件設計電氣圖紙，包括配電圖、信號接線圖、端子圖、布局圖；

(3) 在電控柜中完成實際安裝、接線、通電測試；

(4) 對PLC控制器進行編程、調試，對復雜系統可設置集散控制及通信功能；

(5) 加入合適的人機界面(例如觸摸屏)完善系統監控；

(6) 系統調試、參數整定。

應用結構如圖6所示。

半實物虛擬仿真被控對象可滿足多類控制器要求，使系統的構建具有靈活性。通過完成硬件設計、接線工藝、調試過程，能夠引導學生實踐真實設備的制作及調試過程。

半實物虛擬仿真被控對象的軟件實現方式多樣，但需要配置硬件平臺，在匹配合適的接口的情況下可兼容多類控制器，但需在實驗室單機版安裝，而且共享性較差。

4.3 虛擬仿真被控對象教學應用的思考

在PLC的實踐教學中，被控對象的建設應具有工程代表性，能體現明確的知識要點，例如多級傳送帶物流分揀(簡單邏輯控制)、裝配流水線(順序流程)、電梯(調度算法)、鍋爐(PID控制)等。目前能夠通過計算機高度仿真實現的被控對象主要為順序流程控制及過程控制兩類對象，對于運動控制類的對象，由于其對負載特性、響應速度及驅動器功能有復雜要求[12]，建設困難。

兩類虛擬仿真被控對象各有優缺點，實驗室應根據課程要求選取建設。建議復雜、大型被控對象采用半虛擬仿真的形式實現；而簡單、小型的被控對象可建成全虛擬仿真的形式，可大規模共享，例如在配套實踐類網絡課程及MOOC中使用。虛擬仿真被控對象是PLC實踐教學的一種補充解決方式，但不應替代真實的被控對象。

圖6 半實物虛擬仿真被控對象應用結構圖

另外，在PLC的實踐教學中，應強調對控制任務進行標準化分析，例如采用SFC、狀態圖描述任務；應當重視硬件電路設計，包括傳感器、執行器選型，配電及保護設計，端子排和線標工藝要求等；還應當強調指令的工程化應用，例如輸入信號濾波、FB面向對象編程方式、中斷使用等；應當總結標準工程的應用功能，例如手動控制、自動控制，報警處理，權限控制等。

5 結語

虛擬仿真被控對象的應用，能夠解決目前實驗室面臨的一些難題，完善控制系統設計實踐環節，改進PLC實踐教學的模式，并激發學生的學習興趣，也為開放、創新實踐教學提供了平臺。但是虛擬仿真對象不能完全替代真實對象，在教學實踐中，兩者應互為補充。

References)

[1] 林育茲．可編程序控制器基礎與邏輯控制[M]．北京：高等教育出版社，2015．

[2] 王惠莉．基于MCGS的仿真教學系統在PLC教學中的應用[J]．實驗技術與管理，2010，27(11)：274-275．

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

[4] 劉星平．“PLC原理與應用”課程的教學改革探討[J]．湖南工程學院學報(社會科學版)，2015，25(3)：106-109．

[5] 狄海廷，李耀翔，辛穎．虛擬仿真實驗室資源共享模式[J]．實驗室研究與探索，2015，34(12)：148-151．

[6] 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[Z/OL]．(2013-08-21)[2017-03-01].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html．

[7] 喬丙立，姜建芳，徐慧．PLC控制系統遠程實驗室的設計與實現[J]．中國現代教育裝備，2015(1)：36-38．

[8] 鄧明鑒．PLC訓練系統軟件平臺的開發與設計[D]．南京：南京理工大學，2008．

[9] 王嘯東．PLC虛擬實驗室的研究與建設[J]．實驗室研究與探索，2012，31(9)：210-213．

[10] 黃輝．PLC控制系統訓練平臺設計與實現[D]．南京：南京理工大學，2008．

[11] 賈茜茜．基于軟PLC技術的仿真系統設計與應用[J]．自動化與儀器儀表，2016(2)：211-213．

[12] 黃文嘉．工業機器人運動控制系統的研究與設計[D]．杭州：浙江工業大學，2014．

Research on application of virtual controlled object in PLC practical teaching

Li Jifang, Xu Yingjie, Bao Ping, Hu Tianlin, Lin Chun

(School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

The virtual simulation controlled object is based on Web3D, mathematical modeling and communication interface technology, which consists of two kinds of full virtual simulation and semi-physical simulation. To build the control system, the full virtual is connected with the simulative PLC(progrmmable logit controller) through the S7-ProSim and the semi-physical simulation is used with the real PLC through communication card. Two kinds of objects can effectively solve the problems of high equipment cost, limited space and high maintenance cost in PLC practical teaching, and can also improve the control system design process, and promote standard and engineering practical teaching, while meeting the demands of laboratory open-principle and students’ innovation.

controlled object; control system design; PLC(progrmmable logit controller); S7-ProSim

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.028

2017-03-09

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

A

1002-4956(2017)06-0114-05