《PLC虚实仿真实训平台的研究与应用》-教育论文，职业教育论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

PLC虚实仿真实训平台的研究与应用

范文

陈新李子乐刘伟元张扬

[摘? ? ? ? ? ?要]? 针对PLC控制系统在实验和实训课程中与工程实际场景脱节、调试和控制不方便等问题，设计了PLC虚实仿真实训平台。在对比目前PLC实验、实训平台的基础上，给出PLC虚实仿真实训平台的结构和组成、工作和设计原理，并通过电梯控制系统实例说明了PLC虚实仿真实训平台的整个实训流程。该实训系统能紧密结合工程实际应用案例，3D场景生动真实、丰富学生的工程实践经验。

[关? ? 键? ?词]? 虚实仿真;实训平台;PLC;3D场景

[中图分类号]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文献标志码]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章编号]? 2096-0603（2020）32-0228-02

在PLC教学、实验过程中，实践动手环节至关重要，针对不同工业应用场景，学生必须编写不同的程序并反复调试，最终学生才能真正掌握可编程控制器技术原理，所学的理论课程才能结合生产实际，满足工业现场的需要，因此PLC实验和实训教学环节在整个教学过程中具有非常重要的作用[1]。

针对各高校和职业院校对PLC教学实训平台的欠缺，本文设计了PLC虚实仿真实训平台系统。PLC虚实仿真实训平台系统是一款结合实物PLC、实物控制对象和虚拟仿真控制对象为一体的PLC综合实训平台。该实训平台是结合了虚拟技术、PLC硬件在环、PLC和电脑通信技术和计算机控制技术于一体的高科技实训设备。实训系统设备的编程紧密结合工程实际应用案例，能有效训练使用者的工程素养;设备具有体积小、编程案例多、使用维护方便、低损耗、教学生动有趣等多种特点。

一、PLC实验、实训平台现状

目前PLC可编程控制器的教学和实验教学平台的实现方法主要包括如下几种。

（一）可编程控制器实验箱

实验箱将实验模块集中在一块板上，通过实验箱上的LED、按键、电机等验证PLC的相关指令和相关简单实验。

（二）PLC可编程控制器实训设备

PLC可编程控制器实训设备可以看成可编程控制器实验箱的升级版本，实训设备配套的配件和元件更多，更加接近实际应用，能实现更多的指令和相对复杂的实验。

（三）PLC可编程控制器单独实训模型

通过模拟实际场景，如交通灯、立体车库甚至是整条生产流水线，更加形象化地给学生展示现场实际情况。但是单独实训模型造价高，使用率低，仅适用单独实验。

（四）PLC可编程控制器虚拟仿真实验

PLC与组态软件[2-5]、NI虚拟仪器的PLC仿真验证系统。另外还包括虚拟调试与概念设计并行的NX MCD[6-7]系统、工业现场仿真设计软件Factory IO和PLC编程软件TIA Portal[8-9]实现虚拟仿真功能。

传统的PLC实验和实训一直存在以下几个问题：（1）硬件、软件支持及更新不够，造成教材内容和学校PLC实训设备脱节，而PLC实训设备的更新和升级需要大量资金。（2）PLC实训设备与工业自动化PLC控制实际需求与场景等相差太远。导致实践教学的针对性不强，培养出的学生不能满足实际应用设计和编程、调试的需要。（3）PLC是一门综合性课程，其控制包括机、电、液、气等的综合控制，一般的高校现有条件和实验设备难以满足实验课程及实际操作的实际场景和现场调试需求。（4）采用组态、NX MCD、FACTORY I/O和TIA Portal等虚拟仿真软件则不仅需要较长时间熟悉软件，一个实验和实训项目还需要大量课时。

二、平台组成及工作原理

PLC虚实仿真实训平台系统是一款结合实物PLC、实物控制对象和虚拟仿真控制对象为一体的PLC综合实训平台。该系统是集众多高科技技术于一体的高科技实训设备;实训系统平台的编程范例紧密结合工程实际应用案例，可有效训练和提高使用者的工程素养;设备具有体积小、编程案例多、使用维护方便、低损耗、教学生动有趣等多种特点。

如图1所示，S7-200 SMART的CPU中带有两个通讯口，一个是以太网口，一个是RS485 接口。以太网可以用来下载程序，同上位机通讯，与西门子其他系列PLC进行相互通讯。RS485口为自由通讯口，支持PPI、Modbus协议。PPI（point to point interface）是一种点对点接口通讯协议，PPI通讯协议进行通信时，PLC可以不用编程，而且可读写所有数据区。S7-200 SMART程序运行时相关寄存器、存储器等也随之变化并且读取和驱动相关I/O接口等驱动和读取外部设备，如驱动电机和指示灯等、读取按键状态等。

电脑端通过USB-PPI通信电缆与S7-200 SMART进行数据交换，例如通过PPI通信协议来读取PLC所有储存器及I/O接口的相关状态，电脑读取到PLC储存器及I/O接口的相关状态后进行判断并在3D场景中进行相关的动作。同时，如果电脑端3D虚拟场景中的虚拟按键、接近开关等状态如果发生变化，电脑端通过USB-PPI通信电缆通过特定的通信协议发送给S7-200 SMART。PLC教学实训平臺的实现方法类似于组态等软件的实现方法，但是电脑端3D场景采用了Unity 3D软件，实训平台的3D场景更加贴近实际应用，用户体验和交换更加舒服和方便。

三、实验流程

以最常见的交通灯控制虚实仿真项目为例说明实验过程，将S7-200 SMART控制器接好电源、网线、PPI电缆，如果有需求的话可以连接外部LED等、按键和指示灯等实物。打开仿真软件显示相关的实验项目，如图2所示，目前实现的3D虚实仿真项目有：电机顺序启动、电机星三角启动、交通信号灯、电梯、步进电机、轨道运料车。

打开编程软件STEP 7-MicroWIN SMART，根据硬件进行编程并将编译好的PLC程序通过网线下载到控制器中。

确定PPI线缆与S7-200 SMART控制器通信正常，点击编程软件中的运行按键，如果程序正确通过3D场景看到对应的交通灯状态，同时也能通过S7-200 SMART上的指示灯看到I/O状态，如果该I/O口连接有相关输出硬件也可以看到相关的动作。同时通过鼠标或者显示器触摸屏能实现3D场景的变换，方便用户观看和使用。

通过PLC虚实仿真实训平台显示与利用西门子触摸屏实现的交通灯组态显示比较，PLC虚实仿真平台显示的场景更加真实、生动。

四、结语

虚拟3D动态场景和人机交互模拟真实场景，具有直观和生动的特点。利用虚拟3D技术展示实物场景，让枯燥的工业场景和控制实物展示在学生面前。这种方式可增加学生的学习兴趣，使原本很枯燥的学习变得生动起来，让PLC的教学和实验内容3D互动展示，从而达到良好的教学效果，使学生激发兴趣并从真正意义上掌握这门应用技术，提高学生的创新能力。

参考文献：

[1]杨嘉鹏，胡兵，魏成伟，等.基于应用型本科的工厂电气控制及PLC课程重建[J].中国现代教育装备，2019（3）：24-26，37.

[2]王超.基于组态软件的PLC虚实结合实验室的构建[J].电气电子教学学报，2016，38（1）：138-141.

[3]王成剛，李建海，杨帆.基于组态技术的PLC虚拟控制系统研究[J].自动化技术与应用，2018，37（7）：82-84.

[4]申庆欢.基于组态软件的电气控制实验平台的设计与实现[D].锦州：渤海大学，2016.

[5]李奎.基于组态软件的PLC实训系统设计研究[J].科技信息，2012（3）：181-182.

[6]郑魁敬，代方园，廉磊.基于NX MCD的机器人磨削系统虚拟调试[J].组合机床与自动化加工技术，2019（12）：57-60，64.

[7]戴春祥，王俊杰，秦荣康.基于NX MCD的对运动物体位姿测量方法的研究[J].计量与测试技术，2018，45（3）：4-6，9.

[8]练志坚.基于TIA Portal的在线悬浮粒子监控系统设计[J].新型工业化，2018，8（9）：76-78.

[9]史强.基于TIA Portal平台汽车制造业的自动化标准SiCar[J].电工技术，2018（10）：93-96.

◎编辑张俐

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。