◎尤向陽(yáng) 劉志強(qiáng) 嚴(yán) 風(fēng) 郭 琦

(1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院；2.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，河南 三門峽 472000)

在PLC 應(yīng)用技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)中，實(shí)訓(xùn)工位有限，實(shí)訓(xùn)設(shè)備建設(shè)成本高、使用中容易引起機(jī)械故障[1]、維護(hù)困難、實(shí)訓(xùn)安全不易保障。充分利用虛擬仿真技術(shù)和信息化技術(shù)，引進(jìn)Factory IO 軟件，與西門子博圖軟件聯(lián)合，只要擁有一臺(tái)電腦就可以進(jìn)行PLC 控制系統(tǒng)的搭建、程序的設(shè)計(jì)和可視化運(yùn)行調(diào)試[2]。學(xué)生在課內(nèi)外隨時(shí)可以進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，拓展實(shí)訓(xùn)教學(xué)的時(shí)間和空間，能極大的提高教學(xué)效率。同時(shí)有利于教師豐富教學(xué)形式，活躍教學(xué)氣氛，拓寬教學(xué)內(nèi)容。

一、Fa ctory IO 場(chǎng)景搭建

（一）典型場(chǎng)景

Factory IO 軟案件中附帶21 個(gè)場(chǎng)景[3]，是一款享譽(yù)歐洲的PLC 虛擬仿真軟件?？梢栽凇皥?chǎng)景”選項(xiàng)卡下訪問。PLC 實(shí)踐教學(xué)中常用的典型控制場(chǎng)景有以下6 個(gè)。

（1）從A 到B。目標(biāo)是運(yùn)輸箱子，直到到達(dá)傳感器。

（2）從A 到B（設(shè)置和重置）。目標(biāo)是將盒子從傳感器a 運(yùn)送到傳感器B。

（3）灌裝罐（定時(shí)器）。目標(biāo)是使用計(jì)時(shí)器加注和排空油箱。

（4）項(xiàng)目隊(duì)列（計(jì)數(shù)器）。目標(biāo)是在輸送機(jī)上裝載和卸載三個(gè)箱子。

（5）匯編。目標(biāo)是使用兩軸拾取和放置，組裝由蓋子和底座制成的零件。

（6）自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)。目標(biāo)是從貨架上運(yùn)輸、存儲(chǔ)和取回箱子。

在場(chǎng)景中可以使用相機(jī)實(shí)現(xiàn)與場(chǎng)景內(nèi)各部件交互。相機(jī)有“環(huán)繞”“飛行”和“第一人稱”三種模式，不同相機(jī)視角下可以觀察到控制對(duì)象的不同細(xì)節(jié)特征，整個(gè)模擬對(duì)象形象逼真。如圖1 所示的雙傳送帶控制場(chǎng)景。

圖1 FactoyIO 中的控制場(chǎng)景圖

（二）自我創(chuàng)建控制場(chǎng)景

Factory IO 包括大量最常見工業(yè)設(shè)備零部件。通過(guò)將這些各種元器件、傳感器、驅(qū)動(dòng)器等零件放置并排列在一起，可以創(chuàng)建虛擬工廠。師生可以根據(jù)教學(xué)需求自行構(gòu)思和搭建工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，并且聯(lián)合PLC 進(jìn)行仿真。[3]例如，教學(xué)中常用的簡(jiǎn)單分揀系統(tǒng)創(chuàng)建步驟如下。

（1）從元件庫(kù)中選擇“重載零件”類別，然后單擊鼠標(biāo)左鍵，將輥道輸送機(jī)（2 米）拖動(dòng)到場(chǎng)景中。創(chuàng)建新零件時(shí)，它會(huì)自動(dòng)變?yōu)檫x中狀態(tài)，由白色邊界框表示。拖動(dòng)選定的零件時(shí)，它將在水平面上移動(dòng)；要垂直移動(dòng)，需按V 鍵并拖動(dòng)。如圖2 所示。

圖2 將零件拖動(dòng)到場(chǎng)景圖

（2）選擇“傳感器”類別，然后單擊鼠標(biāo)左鍵并拖動(dòng)漫反射傳感器到傳送帶的邊緣。如圖3 所示，并將復(fù)制傳感器到傳送帶的另一端。

圖3 放置漫反射傳感器圖

（3）將輸送機(jī)與傳感器零件組合在一起，復(fù)制并旋轉(zhuǎn)。得到三組輸送機(jī)和傳感器。并添加轉(zhuǎn)盤放到三條輸送機(jī)中間，布局如圖4。需要注意是輸送機(jī)上白色箭頭指示的流向。

圖4 簡(jiǎn)單分揀系統(tǒng)圖

圖5 手動(dòng)控制操作步驟圖

（4）將托盤放在第一個(gè)輸送機(jī)的頂部。就完成了一個(gè)簡(jiǎn)單分揀裝置的搭建，搭建好的場(chǎng)景可以保存到“我的場(chǎng)景”中，方便以后使用。

二、手動(dòng)控制場(chǎng)景

在使用外部控制器（PLC）控制場(chǎng)景之前，通常要求學(xué)生先手動(dòng)測(cè)試。這樣可以確保場(chǎng)景布局按預(yù)期工作。手動(dòng)測(cè)試前，首先引導(dǎo)學(xué)生了解標(biāo)簽是什么，以及如何使用它們來(lái)控制部件。傳感器或執(zhí)行器的任何部件都至少有一個(gè)標(biāo)簽。標(biāo)簽由名稱和值組成，可以有兩種不同類型：傳感器標(biāo)簽和執(zhí)行器標(biāo)簽。它們可以保存三種不同的數(shù)據(jù)類型：布爾值表示開/關(guān)值，浮點(diǎn)值表示模擬值（實(shí)數(shù)），整數(shù)表示特定數(shù)據(jù)。標(biāo)簽的值可以隨時(shí)強(qiáng)制，讓學(xué)生扮演控制器的角色，手動(dòng)控制場(chǎng)景，使學(xué)生在編寫PLC 控制程序之前通過(guò)自身體驗(yàn)，了解并熟悉控制系統(tǒng)的控制邏輯。

比如，在圖4 的簡(jiǎn)單分揀場(chǎng)景中，讓學(xué)生嘗試將托盤運(yùn)輸?shù)阶髠?cè)輸送機(jī)的步驟如下：

（1）單擊播放按鈕1 切換到運(yùn)行模式。

（2）點(diǎn)擊執(zhí)行器標(biāo)簽按鈕2，顯示執(zhí)行器標(biāo)簽。

（3）左鍵單擊輸送機(jī)標(biāo)簽，強(qiáng)制啟動(dòng)輸送機(jī)，可以看到托盤運(yùn)動(dòng)，并能聽到輸送機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音，給學(xué)生以身臨其境的感覺。

三、使用P LC 控制

（一）驅(qū)動(dòng)程序配置

使用PLC 控制時(shí)需要學(xué)生先了解I/O 驅(qū)動(dòng)程序以及如何使用它們。I/O 驅(qū)動(dòng)程序是Factory IO的內(nèi)置功能，負(fù)責(zé)與外部控制器“對(duì)話”。Factory IO 包括許多I/O 驅(qū)動(dòng)程序，每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序用于特定的控制器。根據(jù)我校電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)PLC教學(xué)用的機(jī)型，我們選擇西門子1200PLC 為控制器。配置1200PLC 控制器的驅(qū)動(dòng)程序的步驟如下，該步驟也適用于其他機(jī)型的驅(qū)動(dòng)程序配置。

（1）打開驅(qū)動(dòng)程序窗口，通過(guò)左鍵單擊從列表中選擇Siemens S7-1200/1500 Ethernet driver。

（2）單擊配置按鈕，根據(jù)PLC 型號(hào)和IP 地址設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序。打開驅(qū)動(dòng)程序配置，選擇S7-1200型號(hào)，并在主機(jī)字段中填寫PLC 的IP 地址。單擊后退箭頭（或ESC 鍵）繼續(xù)下一步。

（3）按下“連接”按鈕以連接到PLC。驅(qū)動(dòng)程序列表旁邊會(huì)顯示一個(gè)綠色符號(hào)，表示連接成功。

（4）將每個(gè)標(biāo)記拖放到目標(biāo)端口上就完成了I/O 驅(qū)動(dòng)程序的配置。

（二）基于博圖的程序設(shè)計(jì)

西門子博圖軟件是一款全集成自動(dòng)化編程軟件。該軟件采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和自動(dòng)化編程環(huán)境，能夠方便地開發(fā)現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)并進(jìn)行直觀的調(diào)試。博圖采用模塊化編程的方法進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，在組織塊(OB1)中調(diào)用功能（FC）或功能塊（FB）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制程序的執(zhí)行。實(shí)踐教學(xué)要注意引導(dǎo)學(xué)生充分體驗(yàn)?zāi)K化編程的優(yōu)點(diǎn)。

四、博圖與Fa ctory IO 聯(lián)合仿真

采用博圖與Factory IO 聯(lián)合仿真開展式教學(xué)時(shí)，需要有一個(gè)Factory IO 的工程模板FC9000。在工程模板組態(tài)的有一款1214 的CPU，其固件版本為V4.2。同時(shí)硬件組態(tài)還有一個(gè)7 寸的西門子精智觸摸屏作為人機(jī)交互的界面，二者通過(guò)以太網(wǎng)組態(tài)到同一個(gè)網(wǎng)段。學(xué)生編程用電腦的IP 地址也要和他們?cè)O(shè)置到同一網(wǎng)段。更重要的是工程模板中在PLC 程序塊中提供了一個(gè)叫MHJPLC -Lab -Function -S71200 的功能FC9000，F(xiàn)C9000 提供了Factory IO 與TIA Portal 兩者間連接的“橋梁”。在編寫程序時(shí)，必須在主程序Main [OB] 中調(diào)用該功能才能實(shí)現(xiàn)Factory IO 與TIA Portal 的聯(lián)合仿真。

實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生們通過(guò)博圖編寫控制程序控制Factory IO 中各種虛擬對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜電氣系統(tǒng)的PLC 控制。同時(shí)，也可以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)及使用Wincc flexible 配合現(xiàn)場(chǎng)控制的能力。只要學(xué)生積極思考，主動(dòng)創(chuàng)造，即可在沒有控制器和控制對(duì)象的請(qǐng)路況下，設(shè)計(jì)出各種各樣復(fù)雜的現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)。聯(lián)合仿真的實(shí)踐教學(xué)方法極大拓展了PLC 實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間和空間。采用此方法開展PLC 應(yīng)用技術(shù)實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生可隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，教師可豐富教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，活躍教學(xué)活動(dòng)氣氛。

五、效果分析

為了解本仿真教學(xué)項(xiàng)目應(yīng)用于PLC 課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)，選取三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造專業(yè)群學(xué)生為研究對(duì)象，采用教學(xué)成績(jī)對(duì)比和調(diào)查問卷兩種方式分析教學(xué)實(shí)施效果。為使成績(jī)更具可比性，選取相同專業(yè)不同年級(jí)的學(xué)生，將采用傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與采用虛擬仿真環(huán)境教學(xué)兩個(gè)學(xué)期的PLC 課程成績(jī)進(jìn)行對(duì)比。兩個(gè)學(xué)期使用相同教材，考試范圍和難度相當(dāng)，成績(jī)對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 成績(jī)對(duì)比結(jié)果圖

由圖6 可知，采用虛擬仿真平臺(tái)的教學(xué)方式，學(xué)生成績(jī)優(yōu)秀率、良好率和及格率均有提高，相比傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)分別提高了5%、1%、4%，不及格人數(shù)為0，且學(xué)生平均分相比傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提高了6 分。

對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)效果問卷調(diào)查，從圖7 的問卷結(jié)果可知，與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)相比，81.3%的學(xué)生認(rèn)為使用仿真教學(xué)項(xiàng)目幫助理解課程目的和內(nèi)容，85%的學(xué)生認(rèn)為使用仿真教學(xué)項(xiàng)目更能獨(dú)立完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，92.4%的學(xué)生認(rèn)為使用仿真教學(xué)項(xiàng)目更能提高課程實(shí)訓(xùn)效率，95%的學(xué)生認(rèn)為使用仿真教學(xué)項(xiàng)目更能提高課程實(shí)訓(xùn)的安全性。然而，仍有部分學(xué)生雖能理解案例，但由于電腦技能不足，獨(dú)立完成比較困難。由實(shí)踐結(jié)果可知，在PLC 課程中引入虛擬仿真，對(duì)學(xué)生理解實(shí)訓(xùn)目的和內(nèi)容有較大幫助，學(xué)生成績(jī)均有一定提高，但學(xué)生還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)變觀念，主動(dòng)完成課前預(yù)習(xí)和課后拓展學(xué)習(xí)。

圖7 學(xué)生問卷調(diào)查結(jié)果圖

六、結(jié)語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的仿真教學(xué)項(xiàng)目較好的實(shí)現(xiàn)了電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)PLC 應(yīng)用技術(shù)課程的綜合訓(xùn)練目的。提出的基于博圖V15.1 與Factory IO 聯(lián)合仿真的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式再現(xiàn)了真實(shí)的工業(yè)場(chǎng)景，可模擬現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，能實(shí)現(xiàn)仿真控制，不僅控制過(guò)程直觀、生動(dòng)，而且控制成本低，實(shí)訓(xùn)效率高，實(shí)訓(xùn)效果好，顯著提升了電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)學(xué)生的PLC 綜合應(yīng)用能力。