FactoryIO和TIAPortal聯合仿真在物聯網控制教學中的應用探索

摘要：物聯網控制課程的核心目標是培養學生解決復雜物聯網控制問題的能力。然而，受限于實際條件，許多高校缺乏相應的工業平臺。文章以基于物料高度的自動分揀系統為例，介紹了利用FactoryIO和TIAPortal軟件構建虛擬仿真平臺的方法，并通過實際教學應用驗證了該平臺在提升教學效果方面的有效性。該平臺增強了教學直觀性，激發了學生的學習興趣，并提升了學生的實踐能力。

關鍵詞：物聯網控制；虛擬仿真；工業場景；FactoryIO；TIAPortal

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0087-04

0引言

物聯網控制是物聯網工程專業的一門主課，涵蓋自動化專業的自動控制原理、PLC編程及應用、電機與拖動、計算機控制技術等多門課程的基本內容，是一門理論與實踐結合非常強的課程[1-3]。課程的重點在于培養學生針對真實工程問題，選擇合適控制算法和執行裝置，設計物聯網控制系統的能力。然而全日制在校大學生往往缺乏深入工業現場的機會，解決真實復雜工程問題的能力難以得到鍛煉。因此為達到培養目標，必須精心設計具有工程背景的實踐教學環節[4]。受限于現實條件，許多學校的物聯網控制課程缺乏可應用于教學的工業產線。借助數字孿生思想，搭建仿真平臺，便成為一個行之有效的解決方案。在虛擬環境中進行實驗，不僅可以解決設備數量不足、種類受限、維護困難等問題，還可以避免真實操作中可能出現的危險，保障學生安全[5-6]。

目前，市場上存在多種工業自動化虛擬仿真軟件，例如Unity、NXMCD及FactoryIO等。相比其它仿真軟件，FactoryIO內置了物料、按鈕、指示燈、傳感器、傳送帶、機械手、堆垛機、加工中心等90多種元器件[7]。用戶使用這些元器件可以方便地搭建出各種工業場景。FactoryIO軟件支持Modbus-TCP/IP、OPCUA/DA等主流工業通信協議，可以與西門子、Allen Bradley品牌的多種型號PLC以及PLC仿真軟件進行連接[6-7]。與PLC連接后，FactoryIO軟件中傳感器等采集的輸入信號可以傳遞給PLC程序參與邏輯控制，PLC程序的輸出也可以傳遞給FactoryIO軟件，控制3D元器件進行相應的仿真運動。鑒于FactoryIO軟件的優越性能，本文以基于物料高度的自動分揀系統為例，介紹以FactoryIO和TIAPortal軟件構建虛擬仿真平臺的方法，并通過在物聯網控制課程的實際教學應用，研究仿真平臺在提升教學效果方面的有效性。

1物料分揀系統的仿真模型搭建與工藝流程

1.1物料分揀系統仿真模型搭建

基于物料高度的自動分揀系統（圖1）由“發料收料裝置”“皮帶式輸送機”“高度感應器”“推貨氣缸”“斜坡”“控制柜”等元器件組成。“發料裝置”用于場景內物料的產生。“收料裝置”用于清除進入收料單元的物料。“皮帶輸送機”用于運送發料裝置產生的物料。“高度感應器”用于判別物料高度，它由兩個漫反射傳感器組成。當物料高度較低時，只有較低位置的漫反射傳感器可以檢測到物料；當物料高度較高時，兩個漫反射傳感器都可以檢測到物料。“推貨氣缸”是氣動執行機構，用于將物料推入對應軌道。“斜坡”用于將物料從“皮帶輸送機”運送至“收料裝置”。“控制柜”包含啟動和停止按鈕。啟動按鈕為常開觸點，用于啟動自動分揀系統，停止按鈕為常閉觸點，用于停止自動分揀系統。

使用FactoryIO軟件搭建3D仿真場景時，需要從元器件庫中選擇相應的元器件，將元器件拖入場景中。元器件進入場景中后，會自動變為選中狀態。拖動選定的元器件，可以使它在水平面內移動。若需要元器件沿垂直方向移動，可以同時按下“V”鍵。若需要在水平或垂直方向上翻轉元器件，可以按下“Y”“R”或“T”鍵。依次選擇搭建自動分揀系統所需要的元器件，放置于場景中合適的位置，完成自動分揀系統場景的搭建。

1.2物料分揀系統的工藝流程

基于物料高度的自動分揀系統工藝流程如下：1）按下啟動按鈕后，發料裝置以1秒間隔產生兩種不同尺寸的箱子。2）箱子通過皮帶輸送機進行傳送。3）當箱子經過支架時，如果箱子高度較低，只有位于較低位置的漫反射傳感器被觸發，氣缸推出后縮回，箱子被推送至與皮帶輸送機相垂直的軌道；如果箱子高度較高，位于較高位置的漫反射傳感器同時被觸發，氣缸保持縮回狀態，箱子沿原軌道進入大箱子收料裝置。4）按下停止按鈕，物料自動分揀系統停止運行。基于物料高度的自動分揀系統的控制流程圖如圖2所示。

2物料分揀系統的PLC程序設計

2.1FactoryIO驅動和輸入輸出引腳配置

在FactoryIO軟件中完成物料自動分揀系統場景搭建后，若要系統按照工藝流程進行運行，還必須與PLC控制器連接。我們選擇目前工業控制領域常用的西門子S7-1200系列PLC，使用TIAPortal軟件進行PLC程序的編寫與調試，并通過PLCSIM軟件進行仿真。PLCSIM軟件可以在電腦上模擬西門子系列PLC的行為和功能，使我們可以在沒有實體PLC的情況下與FactoryIO軟件連接，讓FactoryIO場景中的元器件按照PLC程序邏輯自動運行。FactoryIO通過I/O驅動程序與PLC連接。在FactoryIO軟件中，點擊菜單欄“文件”下的“驅動”選項或按F4鍵進入驅動配置界面，在驅動配置界面中選擇“SiemensS7-PLCSIM”，完成驅動程序型號選擇。

完成驅動程序配置后，還需要根據使用的元器件和工藝流程確定和配置輸入輸出信號，以便編寫PLC程序時調用。基于物料高度的自動分揀系統需要“啟動按鈕”“停止按鈕”“低處傳感器”“高處傳感器”“氣缸推出到位”“氣缸縮回到位”6個輸入信號，以及”皮帶式輸送機”和“推貨氣缸”兩個輸出信號。輸入輸出信號需要與Fac?toryIO場景中元器件的標簽相對應。

FactoryIO軟件驅動配置界面，會顯示場景中所使用的虛擬設備的標簽和虛擬PLC控制器。將PLC程序所需的傳感器和執行器的標簽拖動到虛擬PLC控制器對應的輸入輸出引腳處，完成輸入輸出信號的配置。配置后的PLC設備輸入輸出信號的連接如圖3所示。

2.2自動分揀系統PLC控制程序編寫

為使FactoryIO軟件中的虛擬設備按照工藝流程（圖2）自動運行，根據控制要求編寫了自動分揀系統的PLC程序。圖4為編寫的PLC程序，具體說明如下：程序段（1）為FactoryIO軟件提供的與西門子TIAPor?talPLCSIM仿真軟件通信的模板程序（MHJ-PLC-Lab Function-S71200），主要功能為輔助TIAPortalPLCSIM與FactoryIO軟件通信[8]。程序段（2）為啟動、停止自動分揀系統程序，其中“啟動按鈕”用于啟動自動分揀系統，系統啟動后通過“系統啟停標志”保持，“停止按鈕”用于停止自動分揀系統。程序段（3）為啟動皮帶式輸送機程序，系統啟動后，且推貨氣缸不處于推出狀態，啟動皮帶式輸送機。程序段（4）為高處漫反射傳感器檢測程序，固定在支架高處的漫反射傳感器會被經過的較高的箱子觸發，并通過“延時接通標志”保持0.55秒。程序段（5）為低處漫反射傳感器檢測程序，所有箱子經過支架時，低處的漫反射傳感器都會被觸發，并通過接通延時定時器，保持0.55秒。程序段（6）為氣缸推貨程序，若低處的漫反射傳感器被觸發，且高處的漫反射傳感器沒有被觸發，同時氣缸不處于推出狀態，氣缸推出，將高度較低的箱子推送至與皮帶輸送機相垂直的軌道。

2.3自動分揀系統觸摸屏HMI組態

為方便操作人員與PLC控制器進行人機交互，我們利用TIAPortal軟件為自動分揀系統開發了觸摸屏人機界面HMI（HumanMachineInterface）。通過HMI界面可以與PLC程序交互，進行聯合仿真。在TIAPortal軟件項目視圖，選擇“添加新設備”，為系統添加SIMATIC9英寸精簡系列顯示屏，并在HMI設備向導中，選擇使用PROFINET接口與之前添加的PLC控制器連接。之后，將“開關”元素拖入HMI根畫面，為系統添加“系統啟停”開關，并為“系統啟停”開關的“打開”和“關閉”事件分別添加置位位和復位位函數。為使HMI能夠與PLC程序進行數據交互，將置位位和復位位函數控制的變量設置為PLC程序中的“系統啟停標志”變量。之后向根畫面拖入“橢圓”對象，依次添加“系統啟停標志”“皮帶輸送機啟停標志”“高處傳感器觸發標志”“低處傳感器觸發標志”和“推貨氣缸觸發標志”，并在外觀顯示動畫中將它們與PLC程序中對應的變量進行關聯。最終自動分揀系統的觸摸屏人機界面如圖5所示。通過觸摸屏人機界面，操作人員可以啟停系統，并監測皮帶輸送機、高處傳感器、低處傳感器和推貨氣缸的運行狀態。

3FactoryIO與TIAPortalPLCSIM聯合仿真驗證

完成自動分揀系統場景搭建、PLC和觸摸屏程序編寫之后，便可以進行仿真驗證。首先在TIAPortal軟件中，點擊“啟動仿真”按鈕，將PLC程序裝載到仿真PLC中。裝載完成后，PLCSIM軟件中“RUN/STOP”指示燈將變成綠色，表明PLC程序處于運行狀態。隨后在FactoryIO軟件驅動配置界面，點擊“連接”按鈕，使FactoryIO與PLCSIM軟件建立起通信連接。之后回到FactoryIO軟件主界面中，點擊三角狀“運行”圖標，啟動自動分揀系統仿真。最后點擊FactoryIO場景中控制柜上的啟動按鈕，物料自動分揀系統中的各設備將按照PLC控制程序運行。發料裝置將以1秒間隔產生兩種高度不同的箱子，箱子通過皮帶輸送機進行運送。當箱子經過支架時會觸發高度感應器。高度較低的箱子會被氣缸推送至與皮帶輸送機相垂直的軌道，高度較高的箱子則按原軌道進入收料裝置。系統的啟停還可以通過HMI界面上的“系統啟停”開關控制。各設備的運行狀態也可以通過HMI界面監測。仿真運行結果如圖6所示。在仿真驗證過程中，若各設備能夠按照工藝要求自動運行，表明PLC程序正確無誤。若設備出現運行錯誤，則需要通過監控PLC程序運行狀態，定位和修正錯誤。

4FactoryIO與TIAPortal聯合仿真在教學中的應用效果分析

目前，FactoryIO與TIAPortal軟件聯合仿真實驗已應用于安徽工程大學物聯網工程專業2021級物聯網控制課程。為了解FactoryIO與TIAPortal軟件聯合仿真在實際教學中的應用效果，我們對安徽工程大學物聯網工程專業2021級學生進行了問卷調查（表1）。通過問卷調查，我們發現虛擬仿真實驗對于大部分學生沒有困難（82%）。大部分學生認為虛擬仿真實驗，增加了他們的學習興趣（97%），使他們的注意力更加集中（97%），提高了他們的學習積極性（98%），促進了他們對實驗原理的理解（93%），提升了他們的實驗操作（93%）和設計能力（82%），并且希望在今后的教學中增加更多的虛擬仿真實驗（98%）。

為對照組，分析了采用虛擬仿真實驗教學后（物聯網工程專業2021級），物聯網控制課程的課程目標達成度的變化（圖7）。物聯網控制課程有3個課程目標（表2），支撐畢業要求的“問題分析”和“研究”指標點。課程目標的達成情況通過課堂表現、作業、實驗和期末論文4個環節進行考核。某個課程目標的達成度通過各環節得分的加權求和得到，即∑i=141S0i0×Pi，其中Si表示學生在第i個考核環節的得分（假設該考核環節的滿分為100），Pi表示課程目標在第i個考核環節的權重。采用虛擬仿真實驗教學后，課程目標1、2和3的達成度均有所提升，特別是之前達成度較低的課程目標3提升較多（圖7）。課程目標3的達成度提升較多可能是因為，相比傳統教學實驗，虛擬仿真實驗更接近真實工業場景，使得學生設計和實現復雜工業控制系統的能力得到提升。

5結束語

本文提出了一種基于FactoryIO和TIAPortalPLCSIM自動分揀系統為例的虛擬仿真教學平臺，驗證了該平臺在提高物聯網控制，并以基于物料高度的課程教學效果方面的有效性。該平臺增強了教學的直觀性，提高了學生的學習興趣和實踐能力。未來研究將進一步探索該平臺在其他控制類課程中的應用，并開發更多基于真實工業場景的教學案例，以更好地培養學生解決復雜工程問題的能力。此外，研究還將繼續探索虛擬仿真技術與傳統實驗教學的有效結合方式，以更好地發揮兩種教學方法的優勢。

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【通聯編輯：王力】