徐紅明 金湖庭

摘 ?要：為有效解決目前PLC教學(xué)中存在的教學(xué)軟硬件更新滯后、教學(xué)項(xiàng)目缺乏創(chuàng)新、教學(xué)方式不夠靈活、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，提出了采用全虛擬和虛實(shí)結(jié)合兩種PLC教學(xué)交互方案。教學(xué)實(shí)踐表明，組態(tài)仿真的虛擬控制對象，可以逼真地顯示復(fù)雜控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制過程，減輕教師對教學(xué)硬件設(shè)施與場地的依賴，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的編程能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：組態(tài)技術(shù);可編程控制器（PLC）;仿真;教學(xué)改革

中圖分類號：G715 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號：2096-3769（2021）06-039-05

可編程控制器（PLC）是以微處理器為[1]核心，集傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為一體的一種自動(dòng)控制裝置，已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。[1]PLC技術(shù)是智能控制技術(shù)等自動(dòng)化類專業(yè)的專業(yè)核心課，是一門工程性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[2][3]。在現(xiàn)階段PLC教學(xué)中，受學(xué)校配備的PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備、工業(yè)控制對象等多種教學(xué)條件及空間的限制，在培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、綜合分析能力和創(chuàng)新能力方面受到很大的制約。組態(tài)技術(shù)是一種工業(yè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件技術(shù)，可對控制過程中的各種資源進(jìn)行配置，用文字或圖形動(dòng)態(tài)顯示PLC中的開關(guān)量狀態(tài)和數(shù)字量數(shù)值，生成人機(jī)界面的畫面，與操作人員進(jìn)行信息交互。如何在現(xiàn)有教學(xué)條件下，發(fā)揮組態(tài)技術(shù)的仿真和人機(jī)交互優(yōu)勢，研究、探索和改革PLC課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，為“中國制造2025”培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，具有非常重要而深遠(yuǎn)的意義。

一、可編程控制器（PLC）教學(xué)存在的問題及解決方法

近些年，項(xiàng)目教學(xué)法[4]、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法[5]等探究式教學(xué)模式在高職院校得到廣泛推廣，對PLC這類實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)的課程，這些教學(xué)方法能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和探索精神的培養(yǎng)，并已經(jīng)為社會(huì)培養(yǎng)了大批基礎(chǔ)扎實(shí)、具有一定實(shí)踐能力的工控技術(shù)人才。但是，我們也必須清醒的看到，在高職擴(kuò)招學(xué)生規(guī)模不斷增加、工控技術(shù)快速發(fā)展等背景下，當(dāng)前PLC教學(xué)與社會(huì)需求還存在較大差距，在課程教學(xué)方面也有一些不足之處。

1.教學(xué)軟硬件更新滯后

該課程具有極強(qiáng)的實(shí)踐性，目前市場上主流的PLC品牌有西門子、三菱等，一般授課教師會(huì)根據(jù)學(xué)校已建PLC實(shí)訓(xùn)室的設(shè)備，選擇其中一個(gè)品牌進(jìn)行教學(xué)，然而同一PLC品牌還有不同的產(chǎn)品系列及編程軟件，以西門子為例，早期建設(shè)的PLC實(shí)訓(xùn)裝置多以S7-200、S7-300為主，編程軟件分別為STEP 7-Micro/WIN V4.0、STEP7 V5.5，然而經(jīng)過多年的產(chǎn)品更新迭代，這些產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)并面臨淘汰，推出的替代產(chǎn)品是S7-200 SMART、S7-1200、1500等，編程軟件分別為STEP 7-Micro/WIN SMART、TIA Portal V15[6]（博途）。然而，新建PLC實(shí)訓(xùn)室資金需求量大且周期較長，在這種情況下，一些教師還在采用S7-200開展教學(xué)，用發(fā)光二極管模擬實(shí)驗(yàn)效果，根本無法直觀、逼真地顯示復(fù)雜控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性自然也就不高，這樣培養(yǎng)的學(xué)生與企業(yè)的實(shí)際需求可以說相差甚遠(yuǎn)。

2.教學(xué)項(xiàng)目乏善可陳

該課程具有很強(qiáng)的創(chuàng)造性，每一條指令都需要通過創(chuàng)造性的思維應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中去，從工程角度出發(fā)，已經(jīng)積累了豐富的教學(xué)項(xiàng)目和案例，如電動(dòng)機(jī)控制正反轉(zhuǎn)控制、Y/Δ起動(dòng)控制、小車往返控制、十字路口交通燈的控制、彩燈循環(huán)控制、噴泉控制、搶答器設(shè)計(jì)、機(jī)械手控制、PLC的聯(lián)網(wǎng)與通信等，但由于一些教師教育思想、實(shí)踐教學(xué)觀念陳舊，對PLC外圍設(shè)備和實(shí)驗(yàn)?zāi)K過度依賴，專業(yè)課程之間沒有很好的教學(xué)協(xié)作，也無心挖掘?qū)嵱?xùn)設(shè)備的潛能，制定更加有利于拓展學(xué)生思維的教學(xué)項(xiàng)目，這些都嚴(yán)重制約了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

隨著組態(tài)技術(shù)[7][8][9]的發(fā)展，利用組態(tài)軟件強(qiáng)大的仿真能力，構(gòu)造虛擬工控對象，通過PLC和控制對象間建立數(shù)據(jù)連接與通信，把PLC控制與組態(tài)仿真控制結(jié)合起來，建立經(jīng)濟(jì)靈活又形象直觀的虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)流程的模擬操作，該類仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目投入成本低，可以有效解決購置實(shí)際被控對象資金量大，占用空間大、無法及時(shí)更新、容易過時(shí)等問題，將組態(tài)仿真技術(shù)應(yīng)用于PLC教學(xué)，是提高PLC課程教學(xué)質(zhì)量，構(gòu)建與工控技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)的新思路。

二、組態(tài)技術(shù)與PLC教學(xué)交互方案

組態(tài)仿真技術(shù)與PLC實(shí)現(xiàn)有效交互，建立的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)突破了空間限制，可以便捷地實(shí)現(xiàn)教學(xué)項(xiàng)目更新，形象生動(dòng)地展現(xiàn)控制效果與學(xué)習(xí)成果，極大地提高了學(xué)生的成就感，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，根據(jù)不同工控產(chǎn)品和院校教學(xué)條件，可以采用全虛擬和虛實(shí)結(jié)合兩種仿真交互方案。

1.全虛擬仿真交互方案

該方案利用校內(nèi)專業(yè)機(jī)房或?qū)W生個(gè)人電腦，安裝相應(yīng)工控軟件即可實(shí)施，適用于PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備少，產(chǎn)品落后，學(xué)生數(shù)較多的情況下應(yīng)用，適用于交通燈控制、彩燈循環(huán)控制、噴泉控制、搶答器等教學(xué)項(xiàng)目的仿真實(shí)現(xiàn)。

西門子PLC-HMI：博途是西門子公司新發(fā)布的一個(gè)全集成化軟件平臺(tái)，它完美兼容了西門子S7-300、400、1200、1500等不同系列產(chǎn)品，集成了STEP-7 和WINCC等軟件功能，利用TIA Portal可以添加不同類型的PLC控制器和人機(jī)界面（HMI），快速完成硬件配置，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定等功能，實(shí)現(xiàn)高效組態(tài)。它采用智能化的變量定義功能，支持變量的拖拽連接，可實(shí)現(xiàn)PLC和HMI的高效編程，集成的PLCSIM仿真軟件在沒有實(shí)際硬件的情況下，只需要在電腦上安裝博途軟件，即可以對所編寫的程序進(jìn)行仿真和聯(lián)機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)教學(xué)仿真交互應(yīng)用。

三菱PLC-組態(tài)王：該方案交互系統(tǒng)，如圖1所示，主要由三菱PLC編程軟件GX Developer、三菱OPC服務(wù)軟件MX OPC Server和組態(tài)王kingview 6.55 軟件三部分組成，GXDeveloper是PLC程序編譯平臺(tái)，GX Simulator是三菱PLC的虛擬控制器，kingview 6.55軟件組態(tài)的虛擬對象則作為PLC的控制對象，通過OPC服務(wù)軟件將PLC軟件與組態(tài)軟件進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)通過PLC程序控制組態(tài)的被控對象，達(dá)到工控項(xiàng)目全虛擬仿真交互控制效果。[10]

2.虛實(shí)結(jié)合仿真交互方案

該方案適用于在已建PLC實(shí)訓(xùn)室基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，適用于多種混合液體控制、機(jī)械手控制等有動(dòng)態(tài)過程的教學(xué)項(xiàng)目仿真交互，主要利用監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（MCGS）觸摸屏[11][12]和PLC構(gòu)建如圖2所示的虛實(shí)結(jié)合的仿真交互實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，PLC可以選用帶以太網(wǎng)接口和RS-485通信接口的西門子S7-200 SMART或S7-1200，MCGS選用帶以太網(wǎng)接口的嵌入式觸摸屏TPC1061Ti，PLC、MCGS、編程電腦通過工控交換機(jī)實(shí)現(xiàn)通信連接，可根據(jù)教學(xué)項(xiàng)目需要，多人共用一套實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行編程，并進(jìn)行綜合聯(lián)機(jī)調(diào)試。

三、組態(tài)仿真技術(shù)與PLC交互教學(xué)實(shí)例

以PLC教學(xué)中的兩種液體混合PLC控制系統(tǒng)為例，教學(xué)項(xiàng)目系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

在傳統(tǒng)的教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐中，學(xué)生主要依據(jù)系統(tǒng)示意圖進(jìn)行功能分析和程序編寫，調(diào)試時(shí)無法直觀看到閥件動(dòng)作、液體流動(dòng)、液位升降等動(dòng)態(tài)過程顯示，功能單一，枯燥乏味。利用組態(tài)仿真技術(shù)，按照工業(yè)控制實(shí)際需要對其進(jìn)行功能完善和優(yōu)化，組建虛實(shí)結(jié)合的交互實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開展教學(xué)。

1.控制要求

完善后的控制系統(tǒng)功能要求描述如下：

初始狀態(tài)：液罐容器為空，閥A～閥C均處于關(guān)閉狀態(tài)，低、中、高三個(gè)液位開關(guān)L1～L3都處于斷開狀態(tài)，攪拌電動(dòng)機(jī)M處于停止?fàn)顟B(tài)，加熱管處于停止?fàn)顟B(tài)。

系統(tǒng)運(yùn)行：按下啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)開始工作，先打開閥A，向液罐注入液體A，液位持續(xù)上升，當(dāng)液位達(dá)到中液位時(shí)，液位開關(guān)L2接通，關(guān)閉閥A，打開閥B，開始向液罐注入液體B，當(dāng)液面到達(dá)高液位時(shí)，液位開關(guān)L1接通，關(guān)閉閥B，此時(shí)攪拌電動(dòng)機(jī)M啟動(dòng)，攪拌液體30S后停止。然后，系統(tǒng)啟動(dòng)2個(gè)加熱管，開始對混合液體進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度傳感器檢測到液體的溫度達(dá)到60度時(shí)，加熱管停止工作，并自動(dòng)將閥C打開，開始排放混合液體，液位持續(xù)下降，當(dāng)液面降至低液位以下時(shí)，液位開關(guān)L1由接通轉(zhuǎn)為斷開，并進(jìn)行計(jì)時(shí)，待再排放10S后，閥C關(guān)閉，此時(shí)液罐容器放空，然后按照上述規(guī)律連續(xù)循環(huán)運(yùn)行，直至按下停止按鈕。工作過程中，若加熱器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致液體溫度超過75度時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，溫度報(bào)警燈閃爍。

工作模式：控制系統(tǒng)可以進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)、單周/連續(xù)工作模式切換，默認(rèn)處于自動(dòng)控制、連續(xù)運(yùn)行模式，若切換到手動(dòng)控制，所有閥件及流程由手動(dòng)操作完成，切換到單周運(yùn)行模式，程序運(yùn)行一個(gè)循環(huán)后停止，系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

系統(tǒng)停止：自動(dòng)控制工作模式下，按下停止按鈕，系統(tǒng)需要完成當(dāng)前工作周期后停止，并恢復(fù)到初始狀態(tài)。

輔助控制：液位開關(guān)的狀態(tài)控制通過手動(dòng)輸入信號進(jìn)行模擬，液體溫度變化通過程序模擬。

2.I/O分配

對上述控制功能和要求進(jìn)行分析，用西門子S7-200 SMART和MCGSTPC1061Ti構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的仿真交互系統(tǒng)，PLC輸入輸出地址分配，如表1所示，因PLC輸入均為虛擬信號，故不采用輸入寄存器I，而是采用中間寄存器M作為輸入信號。

3.PLC程序設(shè)計(jì)

打開STEP 7-Micro/WIN SMART軟件，在系統(tǒng)塊的CPU下拉菜單中選擇 ST20（DC/DC/DC），以太網(wǎng)端口設(shè)置IP地址為192.168.0.3，在程序塊中編寫PLC程序，包括主程序和公共程序、手動(dòng)程序、自動(dòng)程序三個(gè)子程序，還有溫度檢測中斷程序，公共程序主要完成上電初始化及參數(shù)設(shè)置，并按采樣時(shí)間執(zhí)行溫度檢測中斷程序檢測計(jì)算的溫度值，手動(dòng)程序和自動(dòng)程序通過按鈕M0.2進(jìn)行切換操作，自動(dòng)程序順序功能，如圖4所示。

4.人機(jī)界面組態(tài)設(shè)計(jì)

打開MCGS7.7組態(tài)軟件[13][14]，新建工程，選擇TPC類型TPC1061Ti，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中添加項(xiàng)目中需要的變量，并按照項(xiàng)目控制要求對閥、攪拌電動(dòng)機(jī)、加熱器，液位等進(jìn)行組態(tài)，加熱器溫度可以通過溫度變化程序或拖拽溫度標(biāo)尺模擬改變，并在溫度值窗口顯示，組態(tài)的人機(jī)交互界面，如圖5所示。

5.聯(lián)機(jī)與調(diào)試

兩種液體混合控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面組態(tài)完成后，打開MCGS軟件設(shè)備組態(tài)窗口，在通用串口父設(shè)備下添加子設(shè)備西門子Smart 200，設(shè)置本地組態(tài)屏IP地址與遠(yuǎn)程PLC的IP地址在同一網(wǎng)段，把連接變量和PLC輸入輸出通道地址對應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)PLC與虛擬對象的通信交互，聯(lián)機(jī)調(diào)試修改完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，直至達(dá)到控制功能描述的要求。

6.教學(xué)實(shí)施

利用上述設(shè)計(jì)的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)項(xiàng)目可以按以下步驟展開教學(xué)活動(dòng)，第一步，教師進(jìn)行項(xiàng)目演示，明確告知本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)要求，提出相應(yīng)問題，并依次進(jìn)行項(xiàng)目相關(guān)的技術(shù)引導(dǎo)、知識(shí)引導(dǎo)和應(yīng)用引導(dǎo);第二步，在教師引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)行相關(guān)問題的思考和知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，以小組協(xié)作的方式，完成PLC程序編制、觸摸屏交互界面設(shè)計(jì)、聯(lián)機(jī)調(diào)試和項(xiàng)目總結(jié);第三步，項(xiàng)目成果展示和交流，學(xué)生對自己的項(xiàng)目完成情況進(jìn)行自我評估，小組間進(jìn)行互評評估、教師進(jìn)行總體評估。

三、結(jié)語

組態(tài)仿真技術(shù)在PLC教學(xué)中的交互應(yīng)用，有效解決了目前PLC教學(xué)普遍存在的教學(xué)軟硬件更新滯后、教學(xué)項(xiàng)目缺乏創(chuàng)新、教學(xué)方式不夠靈活、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問題，實(shí)現(xiàn)PLC控制技術(shù)與工控組態(tài)技術(shù)課程聯(lián)動(dòng)，完成PLC與人機(jī)界面協(xié)同設(shè)計(jì)，深刻體會(huì)和理解控制系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全流程，提升教學(xué)環(huán)節(jié)清晰度，提高教學(xué)過程開放度、學(xué)生學(xué)習(xí)參與度和教學(xué)資源生成度，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度明顯提高，并大大減輕教師對硬件設(shè)施與場地的依賴，在實(shí)訓(xùn)安全、維護(hù)投入和教學(xué)效果等方面均具有顯著優(yōu)勢，也為開放 、創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)提供了平臺(tái)。

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Research on the Application of Configuration Simulation Technology in PLC Teaching

XU Hong-ming， JIN Hu-ting

（Marine Department of Zhejiang Institute of Communications， Hangzhou 311112， China）

Abstract： In order to effectively solve the problems in PLC teaching， such as the outdated teaching hardware and software， the lack of innovation in teaching projects， the inflexibility of teaching methods and the low rate of involvement of students， two ways of interactive teaching modes， fully virtual and virtual-real are proposed. Practice shows that the virtual control object with configuration simulation can vividly display the dynamic control process of complex control system， make teachers less dependent on teaching hardware and teaching sites， arouse students' interest in learning， cultivate students' ability in programming， practice and innovation thus to raise the standard of competency of college graduates.

Key words： Configuration Technology; PLC; Simulation; Teaching Reform

收稿日期：2021-05-13

作者簡介：徐紅明（1978），男，浙江東陽人，碩士，副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制與仿真。

本文為浙江省高校訪問工程師“校企合作項(xiàng)目”（FG2017013）和浙江省高等教育“十三五”教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘1+X證書制度背景下智能控制技術(shù)專業(yè)‘多課聯(lián)動(dòng)、書證融通人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐”（jg20190699）的部分研究成果。