金啟彥

PLC課程具有很強(qiáng)的綜合性和實踐性，學(xué)生需要通過大量的實驗和實踐，來理解掌握理論課的內(nèi)容，進(jìn)而達(dá)到靈活運用的程度，以適應(yīng)社會對應(yīng)用型人才的需要?，F(xiàn)在很多高校的PLC實踐課程，都是依托傳統(tǒng)的PLC實驗臺在進(jìn)行，這種教學(xué)形式存在的問題是學(xué)生多、實驗臺少，學(xué)生很難得到全面系統(tǒng)的訓(xùn)練。就這一問題，很多高校和企業(yè)開始尋求解決方案，而PLC虛擬實訓(xùn)平臺就是一種解決之道。

1建設(shè)虛擬實訓(xùn)平臺的意義

（1）傳統(tǒng)實驗臺由大量硬件設(shè)備組成，出現(xiàn)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(xué)生的實踐過程，降低教學(xué)質(zhì)量。復(fù)雜的故障則需要生產(chǎn)廠家派人維修，甚至要返廠換件，這樣需要相當(dāng)長的維修周期，就造成課程教學(xué)過程開展極其困難。而虛擬實訓(xùn)平臺基本不存在故障問題，且維護(hù)簡單方便。在傳統(tǒng)實驗臺無法使用時，可以在虛擬實訓(xùn)平臺上，完成課程要求的全部實訓(xùn)內(nèi)容。

（2）傳統(tǒng)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(xùn)內(nèi)容，無法進(jìn)行改動，不利于學(xué)生的個性化培養(yǎng)。而虛擬實訓(xùn)平臺，可以方便地對被控對象進(jìn)行修改。這樣，針對同一被控對象，可以根據(jù)不同學(xué)生的不同特點，定制不同的難度級別，達(dá)到因材施教的目的。

（3）如今工業(yè)自動化領(lǐng)域飛速發(fā)展，現(xiàn)有實驗臺的設(shè)備已經(jīng)漸漸跟不上時代的發(fā)展步伐，不能滿足學(xué)生PLC課程的學(xué)習(xí)。如果等待教學(xué)儀器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)最新的教學(xué)設(shè)備，一是等待期較長，二是這類設(shè)備相對較貴，高校經(jīng)費有限，支持不了頻繁地更換實驗臺。虛擬實訓(xùn)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(diào)研的基礎(chǔ)上，自行修改虛擬實訓(xùn)平臺的內(nèi)容，設(shè)計適應(yīng)時代發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容，完成周期較短，可以即設(shè)計即用。

2虛擬實訓(xùn)平臺的設(shè)計

2.1虛擬實訓(xùn)平臺的組成結(jié)構(gòu)

此次PLC虛擬實訓(xùn)平臺是以本校原有的PLC實驗臺為原型進(jìn)行設(shè)計的，意在構(gòu)建與實驗臺相配套的虛擬實訓(xùn)平臺，該虛擬平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，硬件部分主要包括上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)采用計算機(jī)：下位機(jī)采用西門子S7-200系列PLC，型號為CPU224XP：上下位機(jī)通過PC/PPI電纜進(jìn)行連接通信。軟件部分則是利用上位機(jī)中裝有的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計的，利用組態(tài)軟件仿真被控對象，搭建實訓(xùn)平臺人機(jī)界面，并建立上下位機(jī)通信。在進(jìn)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(jī)界面操作發(fā)出控制信息，PLC接收到信息后執(zhí)行程序，并將執(zhí)行結(jié)果反饋回上位機(jī)，在人機(jī)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(xùn)平臺的設(shè)計

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

（1）構(gòu)建組態(tài)工程畫面。利用用戶窗口工具箱中的構(gòu)件，模擬被控對象等硬件設(shè)備，構(gòu)建人機(jī)界面，如圖2右下角天塔之光的組態(tài)界面。

（2）定義各數(shù)據(jù)對象。根據(jù)天塔之光實訓(xùn)項目的要求，定義輸入量和輸出量對象，建立實時數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。

（3）設(shè)計動畫連接。設(shè)置工程畫面中各圖形的屬性，使其與實時數(shù)據(jù)庫的對象建立起對應(yīng)的關(guān)系。進(jìn)入組態(tài)后，根據(jù)數(shù)據(jù)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(shè)備窗口添加外部設(shè)備[西門子_S7200PPI設(shè)備]，并設(shè)置設(shè)備相關(guān)屬性，如圖4所示。進(jìn)入組態(tài)后，上下位機(jī)就能夠?qū)崟r通信，相互傳遞數(shù)據(jù)。

該平臺的開發(fā)是結(jié)合學(xué)生畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)完成，學(xué)生和指導(dǎo)教師共同參與實施，系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，能夠穩(wěn)定運行。

3虛擬實訓(xùn)平臺的應(yīng)用

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

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

（2）進(jìn)行程序設(shè)計，并在虛擬實訓(xùn)平臺調(diào)試程序。學(xué)生將項目程序下載到PLC中，在虛擬實訓(xùn)平臺的計算機(jī)中打開相應(yīng)的實訓(xùn)項目，并在人機(jī)界面上進(jìn)行相應(yīng)操作，例如天塔之光項目中打開啟動開關(guān)。因上下位機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)通信，上位機(jī)操作的信息傳送給下位機(jī)PLC，PLC根據(jù)這些信息以及內(nèi)部程序，輸出控制結(jié)果，該結(jié)果反饋到人機(jī)界面，通過實時動畫顯示出來，可以直觀地驗證所設(shè)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(shè)計程序是正確的。該階段，每名學(xué)生都可以在自己的虛擬實訓(xùn)平臺完成程序調(diào)試。

（3）轉(zhuǎn)入PLC實驗臺，首先根據(jù)硬件設(shè)計方案，完成硬件設(shè)備的接線：之后，將已經(jīng)基本調(diào)試成型的程序下載到PLC中，進(jìn)行軟硬件的聯(lián)合調(diào)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(xié)作，查缺補(bǔ)漏，提高項目完成質(zhì)量。

4結(jié)語

利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計PLC虛擬實訓(xùn)平臺，并將該平臺與原有PLC實驗臺配合使用進(jìn)行教學(xué)，提高了實踐過程的趣味性，學(xué)生的積極性得到了很大調(diào)動。并且采用虛實結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ剑箤W(xué)生既不脫離實物練習(xí)，又能有充分的機(jī)會進(jìn)行編程實踐，進(jìn)而得到全面系統(tǒng)的訓(xùn)練。該虛擬實訓(xùn)平臺維護(hù)方便，故障率低，而且更新內(nèi)容十分便捷，可根據(jù)工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)展情況進(jìn)行改造升級。