PLC虚拟实训平台的设计与应用

金启彦

PLC课程具有很强的综合性和实践性，学生需要通过大量的實验和实践，来理解掌握理论课的内容，进而达到灵活运用的程度，以适应社会对应用型人才的需要。现在很多高校的PLC实践课程，都是依托传统的PLC实验台在进行，这种教学形式存在的问题是学生多、实验台少，学生很难得到全面系统的训练。就这一问题，很多高校和企业开始寻求解决方案，而PLC虚拟实训平台就是一种解决之道。

1建设虚拟实训平台的意义

（1）传统实验台由大量硬件设备组成，出现故障的概率较大，简单的故障教师可自行维修解决，但是这大大影响了学生的实践过程，降低教学质量。复杂的故障则需要生产厂家派人维修，甚至要返厂换件，这样需要相当长的维修周期，就造成课程教学过程开展极其困难。而虚拟实训平台基本不存在故障问题，且维护简单方便。在传统实验台无法使用时，可以在虚拟实训平台上，完成课程要求的全部实训内容。

（2）传统PLC实验台的被控对象多采用模拟模块，模块形式固定，只能完成固定的实训内容，无法进行改动，不利于学生的个性化培养。而虚拟实训平台，可以方便地对被控对象进行修改。这样，针对同一被控对象，可以根据不同学生的不同特点，定制不同的难度级别，达到因材施教的目的。

（3）如今工业自动化领域飞速发展，现有实验台的设备已经渐渐跟不上时代的发展步伐，不能满足学生PLC课程的学习。如果等待教学仪器生产厂家生产最新的教学设备，一是等待期较长，二是这类设备相对较贵，高校经费有限，支持不了频繁地更换实验台。虚拟实训平台则不存在此类问题，它的修改十分方便快捷。教师可以在充分市场调研的基础上，自行修改虚拟实训平台的内容，设计适应时代发展的教学内容，完成周期较短，可以即设计即用。

2虚拟实训平台的设计

2.1虚拟实训平台的组成结构

此次PLC虚拟实训平台是以本校原有的PLC实验台为原型进行设计的，意在构建与实验台相配套的虚拟实训平台，该虚拟平台系统结构如图1所示。其中，硬件部分主要包括上位机和下位机。上位机采用计算机：下位机采用西门子S7-200系列PLC，型号为CPU224XP：上下位机通过PC/PPI电缆进行连接通信。软件部分则是利用上位机中装有的组态软件进行设计的，利用组态软件仿真被控对象，搭建实训平台人机界面，并建立上下位机通信。在进行PLC实践时，先把程序下载到PLC中，然后打开虚拟平台的软件部分，可在其中的人机界面操作发出控制信息，PLC接收到信息后执行程序，并将执行结果反馈回上位机，在人机界面以动画的形式形象地展示被控对象的行为动作。

2.2虚拟实训平台的设计

设计所用组态软件为通用监控系统MCGS（Monitor and Control Generated System），该软件可用于快速构造和生成上位机监控系统。所设计的虚拟实训平台现包含多种液体混合、水塔水位等6个实训项目，部分项目组态界面如图2所示设计。具体的设计过程分为4部分，接下来将以天塔之光为例进行说明，该实训项目是要求启动开关打开后，塔上的灯按一定顺序点亮。

（1）构建组态工程画面。利用用户窗口工具箱中的构件，模拟被控对象等硬件设备，构建人机界面，如图2右下角天塔之光的组态界面。

（2）定义各数据对象。根据天塔之光实训项目的要求，定义输入量和输出量对象，建立实时数据库，如图3所示。

（3）设计动画连接。设置工程画面中各图形的属性，使其与实时数据库的对象建立起对应的关系。进入组态后，根据数据对象的不同值将显示不同的动画效果。

（4）建立与西门子PLC连接。在设备窗口添加外部设备[西门子_S7200PPI设备]，并设置设备相关属性，如图4所示。进入组态后，上下位机就能够实时通信，相互传递数据。

该平台的开发是结合学生毕业设计环节完成，学生和指导教师共同参与实施，系统经过反复调试，能够稳定运行。

3虚拟实训平台的应用

本校以往PLC实践课程，是在PLC实验台上完成的，4～5名学生一组共用一个实验台，完成一个PLC实训项目。现整合已有实验资源，将虚拟实训平台应用于PLC实践教学，课程中每名学生都配备一台计算机和一台PLC设备，也就是每名学生都拥有一套虚拟实训平台。将PLC虚拟实训平台与原有实验台配套使用，学生具体实践过程如下：

（1）进行分组选题，较以往每组学生可减少到1～2人。并进行方案设计，包括软件流程和硬件方案设计等。

（2）进行程序设计，并在虚拟实训平台调试程序。学生将项目程序下载到PLC中，在虚拟实训平台的计算机中打开相应的实训项目，并在人机界面上进行相应操作，例如天塔之光项目中打开启动开关。因上下位机已经实现通信，上位机操作的信息传送给下位机PLC，PLC根据这些信息以及内部程序，输出控制结果，该结果反馈到人机界面，通过实时动画显示出来，可以直观地验证所设计程序的正确性。如天塔之光项目，若灯按要求顺序依次点亮，则证明所设计程序是正确的。该阶段，每名学生都可以在自己的虚拟实训平台完成程序调试。

（3）转入PLC实验台，首先根据硬件设计方案，完成硬件设备的接线：之后，将已经基本调试成型的程序下载到PLC中，进行软硬件的联合调试。该阶段，会将项目相同或相似的2～3组分到一个PLC实验台，共同协作，查缺补漏，提高项目完成质量。

4结语

利用MCGS组态软件设计PLC虚拟实训平台，并将该平台与原有PLC实验台配合使用进行教学，提高了实践过程的趣味性，学生的积极性得到了很大调动。并且采用虚实结合的实验模式，使学生既不脱离实物练习，又能有充分的机会进行编程实践，进而得到全面系统的训练。该虚拟实训平台维护方便，故障率低，而且更新内容十分便捷，可根据工业自动化领域发展情况进行改造升级。