PLC虛擬實訓平臺的設計與應用

金啟彥

PLC課程具有很強的綜合性和實踐性，學生需要通過大量的實驗和實踐，來理解掌握理論課的內容，進而達到靈活運用的程度，以適應社會對應用型人才的需要。現在很多高校的PLC實踐課程，都是依托傳統的PLC實驗臺在進行，這種教學形式存在的問題是學生多、實驗臺少，學生很難得到全面系統的訓練。就這一問題，很多高校和企業開始尋求解決方案，而PLC虛擬實訓平臺就是一種解決之道。

1建設虛擬實訓平臺的意義

（1）傳統實驗臺由大量硬件設備組成，出現故障的概率較大，簡單的故障教師可自行維修解決，但是這大大影響了學生的實踐過程，降低教學質量。復雜的故障則需要生產廠家派人維修，甚至要返廠換件，這樣需要相當長的維修周期，就造成課程教學過程開展極其困難。而虛擬實訓平臺基本不存在故障問題，且維護簡單方便。在傳統實驗臺無法使用時，可以在虛擬實訓平臺上，完成課程要求的全部實訓內容。

（2）傳統PLC實驗臺的被控對象多采用模擬模塊，模塊形式固定，只能完成固定的實訓內容，無法進行改動，不利于學生的個性化培養。而虛擬實訓平臺，可以方便地對被控對象進行修改。這樣，針對同一被控對象，可以根據不同學生的不同特點，定制不同的難度級別，達到因材施教的目的。

（3）如今工業自動化領域飛速發展，現有實驗臺的設備已經漸漸跟不上時代的發展步伐，不能滿足學生PLC課程的學習。如果等待教學儀器生產廠家生產最新的教學設備，一是等待期較長，二是這類設備相對較貴，高校經費有限，支持不了頻繁地更換實驗臺。虛擬實訓平臺則不存在此類問題，它的修改十分方便快捷。教師可以在充分市場調研的基礎上，自行修改虛擬實訓平臺的內容，設計適應時代發展的教學內容，完成周期較短，可以即設計即用。

2虛擬實訓平臺的設計

2.1虛擬實訓平臺的組成結構

此次PLC虛擬實訓平臺是以本校原有的PLC實驗臺為原型進行設計的，意在構建與實驗臺相配套的虛擬實訓平臺，該虛擬平臺系統結構如圖1所示。其中，硬件部分主要包括上位機和下位機。上位機采用計算機：下位機采用西門子S7-200系列PLC，型號為CPU224XP：上下位機通過PC/PPI電纜進行連接通信。軟件部分則是利用上位機中裝有的組態軟件進行設計的，利用組態軟件仿真被控對象，搭建實訓平臺人機界面，并建立上下位機通信。在進行PLC實踐時，先把程序下載到PLC中，然后打開虛擬平臺的軟件部分，可在其中的人機界面操作發出控制信息，PLC接收到信息后執行程序，并將執行結果反饋回上位機，在人機界面以動畫的形式形象地展示被控對象的行為動作。

2.2虛擬實訓平臺的設計

設計所用組態軟件為通用監控系統MCGS（Monitor and Control Generated System），該軟件可用于快速構造和生成上位機監控系統。所設計的虛擬實訓平臺現包含多種液體混合、水塔水位等6個實訓項目，部分項目組態界面如圖2所示設計。具體的設計過程分為4部分，接下來將以天塔之光為例進行說明，該實訓項目是要求啟動開關打開后，塔上的燈按一定順序點亮。

（1）構建組態工程畫面。利用用戶窗口工具箱中的構件，模擬被控對象等硬件設備，構建人機界面，如圖2右下角天塔之光的組態界面。

（2）定義各數據對象。根據天塔之光實訓項目的要求，定義輸入量和輸出量對象，建立實時數據庫，如圖3所示。

（3）設計動畫連接。設置工程畫面中各圖形的屬性，使其與實時數據庫的對象建立起對應的關系。進入組態后，根據數據對象的不同值將顯示不同的動畫效果。

（4）建立與西門子PLC連接。在設備窗口添加外部設備[西門子_S7200PPI設備]，并設置設備相關屬性，如圖4所示。進入組態后，上下位機就能夠實時通信，相互傳遞數據。

該平臺的開發是結合學生畢業設計環節完成，學生和指導教師共同參與實施，系統經過反復調試，能夠穩定運行。

3虛擬實訓平臺的應用

本校以往PLC實踐課程，是在PLC實驗臺上完成的，4～5名學生一組共用一個實驗臺，完成一個PLC實訓項目。現整合已有實驗資源，將虛擬實訓平臺應用于PLC實踐教學，課程中每名學生都配備一臺計算機和一臺PLC設備，也就是每名學生都擁有一套虛擬實訓平臺。將PLC虛擬實訓平臺與原有實驗臺配套使用，學生具體實踐過程如下：

（1）進行分組選題，較以往每組學生可減少到1～2人。并進行方案設計，包括軟件流程和硬件方案設計等。

（2）進行程序設計，并在虛擬實訓平臺調試程序。學生將項目程序下載到PLC中，在虛擬實訓平臺的計算機中打開相應的實訓項目，并在人機界面上進行相應操作，例如天塔之光項目中打開啟動開關。因上下位機已經實現通信，上位機操作的信息傳送給下位機PLC，PLC根據這些信息以及內部程序，輸出控制結果，該結果反饋到人機界面，通過實時動畫顯示出來，可以直觀地驗證所設計程序的正確性。如天塔之光項目，若燈按要求順序依次點亮，則證明所設計程序是正確的。該階段，每名學生都可以在自己的虛擬實訓平臺完成程序調試。

（3）轉入PLC實驗臺，首先根據硬件設計方案，完成硬件設備的接線：之后，將已經基本調試成型的程序下載到PLC中，進行軟硬件的聯合調試。該階段，會將項目相同或相似的2～3組分到一個PLC實驗臺，共同協作，查缺補漏，提高項目完成質量。

4結語

利用MCGS組態軟件設計PLC虛擬實訓平臺，并將該平臺與原有PLC實驗臺配合使用進行教學，提高了實踐過程的趣味性，學生的積極性得到了很大調動。并且采用虛實結合的實驗模式，使學生既不脫離實物練習，又能有充分的機會進行編程實踐，進而得到全面系統的訓練。該虛擬實訓平臺維護方便，故障率低，而且更新內容十分便捷，可根據工業自動化領域發展情況進行改造升級。