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基于虚拟仿真技术的PLC实训平台设计研究

2024-06-06 103 上传者：管理员

摘要：针对PLC实训平台的特点及受场地、成本限制等诸多问题，该文设计一种以虚拟仿真模型为控制对象的PLC实训平台。该实训平台主要包括PLC和虚拟控制对象2部分，其中，虚拟控制对象由西门子NX MCD应用模块构建，而两者的数据连接则采用OPC通信方式。结果表明，该实训平台的设计能为实践教学提供丰富的工业控制领域典型的虚拟控制对象，并能实现对控制程序的调试与仿真运行，有效地锻炼学生的PLC工程实践能力，也是对传统线下PLC实践教学的有益补充。

关键词：
MCD
OPC
PLC实训
实践教学
虚拟仿真技术
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可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）作为工业自动化核心控制器件是集计算机技术、通信技术、自动控制技术三者结合的产物，目前被广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业，已经成为当今工业自动化主要支柱之一[1,2]。鉴于PLC在工业生产中的重要性和广泛性，各高校一直重视PLC课程的实践教学。然而由于实践教学过程中缺乏合适的实训平台，导致出现实践教学过程枯燥无味、学生缺乏学习兴趣等问题，严重阻碍了PLC技术在我国的推广和普及[3,4,5,6]。

针对上述情况，本文设计了一种基于虚拟仿真技术的PLC实训平台。该实训平台利用西门子NX软件的MCD应用模块搭建虚拟仿真模型，极大可能地还原真实工业现场环境，可以实时直观地观测控制过程。作为对传统PLC实践教学的有效补充，该实训平台可以丰富实践教学中的应用案例和增强实践教学效果，同时也为PLC实践教学采用线上教学方式提供了一种解决方案。

1、PLC实训平台建设的必要性

实践教学贯穿于整个PLC课程教学过程中，而实训平台建设是影响实践教学质量的关键因素[7,8,9]。目前绝大多数高校实训平台的控制对象都是基于硬件的，这些硬件设备在使用过程中往往存在以下问题：第一，PLC实训平台一般价格昂贵且设备占地面积大，建设PLC实验室需要投入大量资金及占用大量的场地资源；第二，由于PLC实训平台的价格昂贵导致设备更新周期往往比较长，不变的实训平台和不变的实验项目会诱发学生隔届抄袭程序，实践教学质量较差；第三，多数PLC实训平台控制对象功能简单，往往是一些按钮、开关、指示灯等器件，很难反映真实的工业现场环境，学生难以获得真正的工程实践锻炼。从以上问题不难看出，实训平台建设已经成为PLC实践教学的瓶颈，影响了PLC教学质量的提高。

近年来，随着虚拟仿真技术和通信技术的成熟及其在工业产线上的应用，以虚拟仿真模型为控制对象的PLC实训平台成为了现实。建设基于虚拟仿真技术的实训平台首先可以降低硬件成本及节省占地资源，其次定期更换虚拟仿真控制对象也增加了实训平台灵活性，更重要的是虚拟控制对象更接近真实的工业现场环境，学生可以获得真正的工程实践锻炼。因此，基于虚拟仿真的PLC实训平台的建设可以对相关专业学生的PLC工程应用能力的培养和实践操作的提高起到重要作用[10]。

2、基于UG NX的PLC实训平台的构建

UG NX软件是西门子PLM集团为助力企业实现数字化升级而推出一款用于进行产品设计加工和仿真的解决方案软件。在工业产线的虚拟调试应用中，首先利用软件中的MCD应用模块构建与真实产线设备具有相同机械结构和电气特性的虚拟仿真模型，然后应用OPC协议建立PLC控制器与虚拟仿真模型之间的数据连接，最后可以对整个虚拟仿真控制系统进行PLC编程和调试。这样做的目的是在物理产线建设之前，可以根据仿真结果的性能指标找到产线的潜在问题，同时通过调整程序参数达到产线的优化[11,12,13,14,15]。

根据MCD在产线虚拟调试的应用思路来构建PLC实训平台。图1为本文设计的2种PLC实训平台架构。其中，软件在环仿真平台（图1(a））是纯软件仿真平台，该平台主要基于编程软件（STEP/TIA Portal）、PLC仿真软件（PLCSIM Advanced）及MCD虚拟仿真模型，利用编程软件设计PLC调试程序并将其下载到PLC仿真软件中，而PLC仿真软件通过建立好的数据连接完成对虚拟仿真模型的控制；硬件在环仿真平台（图1(b））则是一种半实物半仿真平台，与前者的不同在于利用真实的PLC硬件（S7-1200）代替PLC仿真软件（PLCSIM Advanced）作为控制器，PLC和MCD虚拟仿真模型之间的数据连接是通过OPC服务软件（KEPserver）来实现的。

2 种平台在使用上还是有差别的：软件在环仿真平台可以应用在线上教学中，尤其应对由于类似新冠感染疫情等特殊状况时，学生不能到实验室进行实践教学的情况；而硬件在环仿真平台可以为旧实验台的升级改造提供一种解决方案，是传统实践教学的一种有效的补充。另外，由于硬件在环仿真平台使用真实的PLC硬件设备，这使得程序运行节拍更接近于真实的控制过程。

图1 PLC实训平台整体架构

3、仿真PLC实验平台实验案例设计

接下来，基于以上仿真PLC实训平台架构并以生活中常见的电梯为例设计相关实验。主要包括构建虚拟电梯仿真模型、建立数据连接及PLC程序设计与调试等工作。

3.1 虚拟仿真模型构建

被控设备模型的构建依据了真实电梯的机械结构，尽可能1∶1地还原实际电梯。将构建的电梯模型所需要的基本元件在建模环境下进行组装，并导入MCD应用模块进行电梯机电概念设计。在机电概念设计功能中为电梯的外门、内门、轿厢等设置物理属性，并设置运动副、执行器、传感器和信号适配器等功能，最后将外面信号适配器的信号与NX内部信号进行信号的映射。建立好的三维仿真模型如图2所示，设计为单部4层电梯结构。

3.2 建立数据连接

对于硬件PLC控制系统，PLC与控制对象的数据连接主要通过硬件接线或者现场总线方式来实现，因此，在PLC实验教学中，学生根据控制工艺需要对PLC的I/O进行分配，并根据设计的硬件接线图进行硬件接线，而对于虚拟仿真控制系统两者的数据连接则是通过软件来实现。以硬件在仿真电梯实验平台为例，这里，仿真电梯的内外呼梯信号及楼层显示通过Portal软件里面的HMI实现，而虚拟电梯的平层信号，开关门到位信号、电梯门的控制信号及轿厢运行的控制信号等与PLC的数据连接则是通过KEPserver软件来实现。仿真PLC实验平台的数据连接如图3所示。

图2 三维电梯模型

图3 电梯仿真系统控制回路

3.2.1 HMI与S7-1200的数据连接

利用Portal软件中HMI软件人机界面功能建立与S7-1200的数据连接，HMI型号选择KTP900 Basic PN，其网络组态如图4所示。

图4 设备组态连接

3.2.2 KEPserver建立S7-1200与虚拟电梯数据连接

KEPserver作为OPC服务器，用以建立S7-1200与虚拟电梯之间的数据连接。在KEPserver中建立数据通道，并创建需要连接的数据。最后启动OPC Quick Client，这时PLC与OPC服务器连接完成。接下来在MCD中找到外部信号适配器，指定KEPserver中建立的连接变量，最后通过信号映射建立虚拟电梯与PLC之间的数据连接，如图5所示。

3.3 电梯实验设计

3.3.1 实验控制要求

基于构建的虚拟电梯控制对象，其控制要求如下：①电梯分为手动和自动2种控制方式；②电梯在自动模式下，首先完成初始化程序，并将电梯停靠到1楼，楼层指示1楼；③按照顺向截梯的原则实现电梯的集选控制；④电梯门会根据当前电梯的状态、轿厢门的状态、呼梯信号、选层信号及平层信号状态等，合理地进行相应的响应；⑤当电梯平层时，需要依据时间原则进行三级减速，待平层后，抱闸停车；⑥在运行过程中，需要始终对当前运行方向、当前楼层（采用七段数码管显示）进行实时监控与显示，仅当无呼叫指令时，运行方向指示无指向；⑦针对选层指令中可能存在的人为误操作进行相应的优化。

3.3.2 HMI画面设计

按照控制要求，应用HMI设计电梯的内外呼梯信号登记及楼层的显示，其自动控制画面如图6所示。

图5 虚拟仿真电梯与PLC之间的数据映射

图6 电梯运行监控

3.3.3 PLC程序设计与调试

在PLC与虚拟电梯及HMI之间建立好数据连接以后，就要进行PLC程序设计和调试，这部分工作是自动化类专业学生实践教学的重点。引导学生程序设计采用结构化编程。

OB1为主循环程序块，属于循环扫描的程序块，用以调用其他子程序块。函数FC1主要实现电梯轿厢的速度控制；函数块FB1是电梯初始化子程序，其背景数据块是DB2；函数块FB2主要控制电梯的上下行，对应的背景数据块函数块是DB4;FB3用来控制电梯的启停及开关门，对应的背景数据块为DB6；函数块FB4实现楼层计数功能，其背景数据块为DB5；函数块FB5用来处理呼梯产生的中断，背景数据块为DB8；函数块FB6用来登记呼梯信号，其背景数据块为DB7。PLC程序结构如图7所示。

图7 PLC程序结构

将编写好的PLC程序下载到S7-1200处理器中，启动KEPserver OPC服务器并运行MCD虚拟电梯，结合HMI的操作完成PLC程序调试工作。

4、实验教学效果

将基于虚拟仿真技术的PLC实训平台应用到PLC实践教学中，取得了良好的效果。尤其是突如其来的新冠感染疫情造成学生不能返校进行线下学习，应用虚拟仿真PLC实践平台不仅圆满完成了教学任务，而且得到了广大学生的认可，学生的工程实践能力得到了锻炼和提高。另外，基于此虚拟仿真PLC实践平台申请了学校的一流实验项目建设，并成功立项。目前，与校企合作单位联合开发了更多的虚拟被控对象，并将其推广到更多的职业教育院校的PLC实践教学中。表1为开发的部分虚拟仿真平台。

表1 已开发虚拟仿真平台（部分）

5、结束语

本文基于西门子虚拟仿真技术搭建了一种仿真PLC实训平台。该平台利用西门子NX MCD搭建虚拟仿真控制对象，并通过OPC通信方式建立与PLC的数据连接。实践表明，作为对传统PLC实验教学的有效补充，建设基于虚拟仿真技术的实验平台可以降低硬件成本以及节省占地资源，同时，虚拟仿真控制对象更接近真实的工业现场环境，实操过程中学生可以获得更真实的现场体验，对相关专业学生的PLC工程应用能力的培养和实践操作能力的提高起到重要的促进作用。另外，由于仿真平台可以采用全软件仿真的模式，这为PLC实验教学采用线上教学方式提供了一种有效的解决方案。

参考文献:

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