摘要：物聯(lián)網(wǎng)控制課程的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)控制問題的能力。然而，受限于實(shí)際條件，許多高校缺乏相應(yīng)的工業(yè)平臺(tái)。文章以基于物料高度的自動(dòng)分揀系統(tǒng)為例，介紹了利用FactoryIO和TIAPortal軟件構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)的方法，并通過實(shí)際教學(xué)應(yīng)用驗(yàn)證了該平臺(tái)在提升教學(xué)效果方面的有效性。該平臺(tái)增強(qiáng)了教學(xué)直觀性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并提升了學(xué)生的實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)控制；虛擬仿真；工業(yè)場(chǎng)景；FactoryIO；TIAPortal

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）15-0087-04

0引言

物聯(lián)網(wǎng)控制是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門主課，涵蓋自動(dòng)化專業(yè)的自動(dòng)控制原理、PLC編程及應(yīng)用、電機(jī)與拖動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等多門課程的基本內(nèi)容，是一門理論與實(shí)踐結(jié)合非常強(qiáng)的課程[1-3]。課程的重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)真實(shí)工程問題，選擇合適控制算法和執(zhí)行裝置，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的能力。然而全日制在校大學(xué)生往往缺乏深入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)會(huì)，解決真實(shí)復(fù)雜工程問題的能力難以得到鍛煉。因此為達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)，必須精心設(shè)計(jì)具有工程背景的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[4]。受限于現(xiàn)實(shí)條件，許多學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)控制課程缺乏可應(yīng)用于教學(xué)的工業(yè)產(chǎn)線。借助數(shù)字孿生思想，搭建仿真平臺(tái)，便成為一個(gè)行之有效的解決方案。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以解決設(shè)備數(shù)量不足、種類受限、維護(hù)困難等問題，還可以避免真實(shí)操作中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，保障學(xué)生安全[5-6]。

目前，市場(chǎng)上存在多種工業(yè)自動(dòng)化虛擬仿真軟件，例如Unity、NXMCD及FactoryIO等。相比其它仿真軟件，F(xiàn)actoryIO內(nèi)置了物料、按鈕、指示燈、傳感器、傳送帶、機(jī)械手、堆垛機(jī)、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(yè)場(chǎng)景。FactoryIO軟件支持Modbus-TCP/IP、OPCUA/DA等主流工業(yè)通信協(xié)議，可以與西門子、Allen Bradley品牌的多種型號(hào)PLC以及PLC仿真軟件進(jìn)行連接[6-7]。與PLC連接后，F(xiàn)actoryIO軟件中傳感器等采集的輸入信號(hào)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(jìn)行相應(yīng)的仿真運(yùn)動(dòng)。鑒于FactoryIO軟件的優(yōu)越性能，本文以基于物料高度的自動(dòng)分揀系統(tǒng)為例，介紹以FactoryIO和TIAPortal軟件構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)的方法，并通過在物聯(lián)網(wǎng)控制課程的實(shí)際教學(xué)應(yīng)用，研究仿真平臺(tái)在提升教學(xué)效果方面的有效性。

1物料分揀系統(tǒng)的仿真模型搭建與工藝流程

1.1物料分揀系統(tǒng)仿真模型搭建

基于物料高度的自動(dòng)分揀系統(tǒng)（圖1）由“發(fā)料收料裝置”“皮帶式輸送機(jī)”“高度感應(yīng)器”“推貨氣缸”“斜坡”“控制柜”等元器件組成?！鞍l(fā)料裝置”用于場(chǎng)景內(nèi)物料的產(chǎn)生?！笆樟涎b置”用于清除進(jìn)入收料單元的物料?！捌л斔蜋C(jī)”用于運(yùn)送發(fā)料裝置產(chǎn)生的物料?！案叨雀袘?yīng)器”用于判別物料高度，它由兩個(gè)漫反射傳感器組成。當(dāng)物料高度較低時(shí)，只有較低位置的漫反射傳感器可以檢測(cè)到物料；當(dāng)物料高度較高時(shí)，兩個(gè)漫反射傳感器都可以檢測(cè)到物料?！巴曝洑飧住笔菤鈩?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于將物料推入對(duì)應(yīng)軌道?！靶逼隆庇糜趯⑽锪蠌摹捌л斔蜋C(jī)”運(yùn)送至“收料裝置”?！翱刂乒瘛卑瑔?dòng)和停止按鈕。啟動(dòng)按鈕為常開觸點(diǎn)，用于啟動(dòng)自動(dòng)分揀系統(tǒng)，停止按鈕為常閉觸點(diǎn)，用于停止自動(dòng)分揀系統(tǒng)。

使用FactoryIO軟件搭建3D仿真場(chǎng)景時(shí)，需要從元器件庫中選擇相應(yīng)的元器件，將元器件拖入場(chǎng)景中。元器件進(jìn)入場(chǎng)景中后，會(huì)自動(dòng)變?yōu)檫x中狀態(tài)。拖動(dòng)選定的元器件，可以使它在水平面內(nèi)移動(dòng)。若需要元器件沿垂直方向移動(dòng)，可以同時(shí)按下“V”鍵。若需要在水平或垂直方向上翻轉(zhuǎn)元器件，可以按下“Y”“R”或“T”鍵。依次選擇搭建自動(dòng)分揀系統(tǒng)所需要的元器件，放置于場(chǎng)景中合適的位置，完成自動(dòng)分揀系統(tǒng)場(chǎng)景的搭建。

1.2物料分揀系統(tǒng)的工藝流程

基于物料高度的自動(dòng)分揀系統(tǒng)工藝流程如下：1）按下啟動(dòng)按鈕后，發(fā)料裝置以1秒間隔產(chǎn)生兩種不同尺寸的箱子。2）箱子通過皮帶輸送機(jī)進(jìn)行傳送。3）當(dāng)箱子經(jīng)過支架時(shí)，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(fā)，氣缸推出后縮回，箱子被推送至與皮帶輸送機(jī)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(shí)被觸發(fā)，氣缸保持縮回狀態(tài)，箱子沿原軌道進(jìn)入大箱子收料裝置。4）按下停止按鈕，物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)停止運(yùn)行。基于物料高度的自動(dòng)分揀系統(tǒng)的控制流程圖如圖2所示。

2物料分揀系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)

2.1FactoryIO驅(qū)動(dòng)和輸入輸出引腳配置

在FactoryIO軟件中完成物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)場(chǎng)景搭建后，若要系統(tǒng)按照工藝流程進(jìn)行運(yùn)行，還必須與PLC控制器連接。我們選擇目前工業(yè)控制領(lǐng)域常用的西門子S7-1200系列PLC，使用TIAPortal軟件進(jìn)行PLC程序的編寫與調(diào)試，并通過PLCSIM軟件進(jìn)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(shí)體PLC的情況下與FactoryIO軟件連接，讓FactoryIO場(chǎng)景中的元器件按照PLC程序邏輯自動(dòng)運(yùn)行。FactoryIO通過I/O驅(qū)動(dòng)程序與PLC連接。在FactoryIO軟件中，點(diǎn)擊菜單欄“文件”下的“驅(qū)動(dòng)”選項(xiàng)或按F4鍵進(jìn)入驅(qū)動(dòng)配置界面，在驅(qū)動(dòng)配置界面中選擇“SiemensS7-PLCSIM”，完成驅(qū)動(dòng)程序型號(hào)選擇。

完成驅(qū)動(dòng)程序配置后，還需要根據(jù)使用的元器件和工藝流程確定和配置輸入輸出信號(hào)，以便編寫PLC程序時(shí)調(diào)用?；谖锪细叨鹊淖詣?dòng)分揀系統(tǒng)需要“啟動(dòng)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(gè)輸入信號(hào)，以及”皮帶式輸送機(jī)”和“推貨氣缸”兩個(gè)輸出信號(hào)。輸入輸出信號(hào)需要與Fac?toryIO場(chǎng)景中元器件的標(biāo)簽相對(duì)應(yīng)。

FactoryIO軟件驅(qū)動(dòng)配置界面，會(huì)顯示場(chǎng)景中所使用的虛擬設(shè)備的標(biāo)簽和虛擬PLC控制器。將PLC程序所需的傳感器和執(zhí)行器的標(biāo)簽拖動(dòng)到虛擬PLC控制器對(duì)應(yīng)的輸入輸出引腳處，完成輸入輸出信號(hào)的配置。配置后的PLC設(shè)備輸入輸出信號(hào)的連接如圖3所示。

2.2自動(dòng)分揀系統(tǒng)PLC控制程序編寫

為使FactoryIO軟件中的虛擬設(shè)備按照工藝流程（圖2）自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)控制要求編寫了自動(dòng)分揀系統(tǒng)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(dòng)、停止自動(dòng)分揀系統(tǒng)程序，其中“啟動(dòng)按鈕”用于啟動(dòng)自動(dòng)分揀系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后通過“系統(tǒng)啟停標(biāo)志”保持，“停止按鈕”用于停止自動(dòng)分揀系統(tǒng)。程序段（3）為啟動(dòng)皮帶式輸送機(jī)程序，系統(tǒng)啟動(dòng)后，且推貨氣缸不處于推出狀態(tài)，啟動(dòng)皮帶式輸送機(jī)。程序段（4）為高處漫反射傳感器檢測(cè)程序，固定在支架高處的漫反射傳感器會(huì)被經(jīng)過的較高的箱子觸發(fā)，并通過“延時(shí)接通標(biāo)志”保持0.55秒。程序段（5）為低處漫反射傳感器檢測(cè)程序，所有箱子經(jīng)過支架時(shí)，低處的漫反射傳感器都會(huì)被觸發(fā)，并通過接通延時(shí)定時(shí)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(fā)，且高處的漫反射傳感器沒有被觸發(fā)，同時(shí)氣缸不處于推出狀態(tài)，氣缸推出，將高度較低的箱子推送至與皮帶輸送機(jī)相垂直的軌道。

2.3自動(dòng)分揀系統(tǒng)觸摸屏HMI組態(tài)

為方便操作人員與PLC控制器進(jìn)行人機(jī)交互，我們利用TIAPortal軟件為自動(dòng)分揀系統(tǒng)開發(fā)了觸摸屏人機(jī)界面HMI（HumanMachineInterface）。通過HMI界面可以與PLC程序交互，進(jìn)行聯(lián)合仿真。在TIAPortal軟件項(xiàng)目視圖，選擇“添加新設(shè)備”，為系統(tǒng)添加SIMATIC9英寸精簡(jiǎn)系列顯示屏，并在HMI設(shè)備向?qū)е?，選擇使用PROFINET接口與之前添加的PLC控制器連接。之后，將“開關(guān)”元素拖入HMI根畫面，為系統(tǒng)添加“系統(tǒng)啟?！遍_關(guān)，并為“系統(tǒng)啟?！遍_關(guān)的“打開”和“關(guān)閉”事件分別添加置位位和復(fù)位位函數(shù)。為使HMI能夠與PLC程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將置位位和復(fù)位位函數(shù)控制的變量設(shè)置為PLC程序中的“系統(tǒng)啟停標(biāo)志”變量。之后向根畫面拖入“橢圓”對(duì)象，依次添加“系統(tǒng)啟停標(biāo)志”“皮帶輸送機(jī)啟停標(biāo)志”“高處傳感器觸發(fā)標(biāo)志”“低處傳感器觸發(fā)標(biāo)志”和“推貨氣缸觸發(fā)標(biāo)志”，并在外觀顯示動(dòng)畫中將它們與PLC程序中對(duì)應(yīng)的變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。最終自動(dòng)分揀系統(tǒng)的觸摸屏人機(jī)界面如圖5所示。通過觸摸屏人機(jī)界面，操作人員可以啟停系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)皮帶輸送機(jī)、高處傳感器、低處傳感器和推貨氣缸的運(yùn)行狀態(tài)。

3FactoryIO與TIAPortalPLCSIM聯(lián)合仿真驗(yàn)證

完成自動(dòng)分揀系統(tǒng)場(chǎng)景搭建、PLC和觸摸屏程序編寫之后，便可以進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先在TIAPortal軟件中，點(diǎn)擊“啟動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)。隨后在FactoryIO軟件驅(qū)動(dòng)配置界面，點(diǎn)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(diǎn)擊三角狀“運(yùn)行”圖標(biāo)，啟動(dòng)自動(dòng)分揀系統(tǒng)仿真。最后點(diǎn)擊FactoryIO場(chǎng)景中控制柜上的啟動(dòng)按鈕，物料自動(dòng)分揀系統(tǒng)中的各設(shè)備將按照PLC控制程序運(yùn)行。發(fā)料裝置將以1秒間隔產(chǎn)生兩種高度不同的箱子，箱子通過皮帶輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)送。當(dāng)箱子經(jīng)過支架時(shí)會(huì)觸發(fā)高度感應(yīng)器。高度較低的箱子會(huì)被氣缸推送至與皮帶輸送機(jī)相垂直的軌道，高度較高的箱子則按原軌道進(jìn)入收料裝置。系統(tǒng)的啟停還可以通過HMI界面上的“系統(tǒng)啟?！遍_關(guān)控制。各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也可以通過HMI界面監(jiān)測(cè)。仿真運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。在仿真驗(yàn)證過程中，若各設(shè)備能夠按照工藝要求自動(dòng)運(yùn)行，表明PLC程序正確無誤。若設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，則需要通過監(jiān)控PLC程序運(yùn)行狀態(tài)，定位和修正錯(cuò)誤。

4FactoryIO與TIAPortal聯(lián)合仿真在教學(xué)中的應(yīng)用效果分析

目前，F(xiàn)actoryIO與TIAPortal軟件聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于安徽工程大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)2021級(jí)物聯(lián)網(wǎng)控制課程。為了解FactoryIO與TIAPortal軟件聯(lián)合仿真在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用效果，我們對(duì)安徽工程大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)2021級(jí)學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查（表1）。通過問卷調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于大部分學(xué)生沒有困難（82%）。大部分學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，增加了他們的學(xué)習(xí)興趣（97%），使他們的注意力更加集中（97%），提高了他們的學(xué)習(xí)積極性（98%），促進(jìn)了他們對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解（93%），提升了他們的實(shí)驗(yàn)操作（93%）和設(shè)計(jì)能力（82%），并且希望在今后的教學(xué)中增加更多的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（98%）。

為對(duì)照組，分析了采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)后（物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)2021級(jí)），物聯(lián)網(wǎng)控制課程的課程目標(biāo)達(dá)成度的變化（圖7）。物聯(lián)網(wǎng)控制課程有3個(gè)課程目標(biāo)（表2），支撐畢業(yè)要求的“問題分析”和“研究”指標(biāo)點(diǎn)。課程目標(biāo)的達(dá)成情況通過課堂表現(xiàn)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)和期末論文4個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行考核。某個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成度通過各環(huán)節(jié)得分的加權(quán)求和得到，即∑i=141S0i0×Pi，其中Si表示學(xué)生在第i個(gè)考核環(huán)節(jié)的得分（假設(shè)該考核環(huán)節(jié)的滿分為100），Pi表示課程目標(biāo)在第i個(gè)考核環(huán)節(jié)的權(quán)重。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，課程目標(biāo)1、2和3的達(dá)成度均有所提升，特別是之前達(dá)成度較低的課程目標(biāo)3提升較多（圖7）。課程目標(biāo)3的達(dá)成度提升較多可能是因?yàn)?，相比傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更接近真實(shí)工業(yè)場(chǎng)景，使得學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)的能力得到提升。

5結(jié)束語

本文提出了一種基于FactoryIO和TIAPortalPLCSIM自動(dòng)分揀系統(tǒng)為例的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，驗(yàn)證了該平臺(tái)在提高物聯(lián)網(wǎng)控制，并以基于物料高度的課程教學(xué)效果方面的有效性。該平臺(tái)增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。未來研究將進(jìn)一步探索該平臺(tái)在其他控制類課程中的應(yīng)用，并開發(fā)更多基于真實(shí)工業(yè)場(chǎng)景的教學(xué)案例，以更好地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。此外，研究還將繼續(xù)探索虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效結(jié)合方式，以更好地發(fā)揮兩種教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)。

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【通聯(lián)編輯：王力】